ENGENHARIA DE PRODUÇÃO PROCESSOS DE PRODUÇÃO ( F UNDIÇÃO)
CARLOS ROBERTO FERREIRA
1 - INTRODUÇÃO É um proc proces esso so de fa fabr bric icaç ação ão de pe peça çass me metá tálilica cass qu quee co cons nsis iste te essencialmente em encher com metal líquido a cavidade de um molde com formato e medidas correspondentes aos da peça a ser fabricada.
Figura 1 (a) e (b) vazamento de um forno e preenchimento de moldes
O objetivo fundamental da fundição é dar a forma adequada ao metal, vertendo-o na cavidade de um recipiente denominado molde, o qual tem a forma desejada, isto é, a forma da peça que se pretende fabricar. Por vezes é necessário tratar o metal para se alterar a sua composição química [1]. Deste modo, num passo único, formas simples ou complexas podem ser feitas de qualquer metal que possa ser fundido. O prod produt uto o resu result ltan ante te po pode de ser ser op opti timi miza zado do rela relati tiva vame ment ntee à resist resistênc ência, ia, as propri proprieda edades des direcc direccion ionais ais po podem dem ser contro controlad ladas, as, e a aparência pode ser agradável . As peças fundidas podem variar desde frações de centímetros e baixo peso até vários metros e várias toneladas. Este tipo de tecnologia tem sérias
vant vantag agen enss na prod produç ução ão de form formas as co comp mple lexa xas, s, pe peça çass co com m secç secçõe õess côncavas ou com cavidades internas, peças muito grandes e peças feitas a partir de materiais difíceis de maquinar/usinar. Devido a estas vantagens, a fundição é um dos mais importantes processos de produção.
2 – VANTAGENS a) As peças fundidas podem apresentar formas externas e internas desde as mais simples até as bem complicadas, com formatos impossíveis de serem obtidos por outros processos;
1 - INTRODUÇÃO É um proc proces esso so de fa fabr bric icaç ação ão de pe peça çass me metá tálilica cass qu quee co cons nsis iste te essencialmente em encher com metal líquido a cavidade de um molde com formato e medidas correspondentes aos da peça a ser fabricada.
Figura 1 (a) e (b) vazamento de um forno e preenchimento de moldes
O objetivo fundamental da fundição é dar a forma adequada ao metal, vertendo-o na cavidade de um recipiente denominado molde, o qual tem a forma desejada, isto é, a forma da peça que se pretende fabricar. Por vezes é necessário tratar o metal para se alterar a sua composição química [1]. Deste modo, num passo único, formas simples ou complexas podem ser feitas de qualquer metal que possa ser fundido. O prod produt uto o resu result ltan ante te po pode de ser ser op opti timi miza zado do rela relati tiva vame ment ntee à resist resistênc ência, ia, as propri proprieda edades des direcc direccion ionais ais po podem dem ser contro controlad ladas, as, e a aparência pode ser agradável . As peças fundidas podem variar desde frações de centímetros e baixo peso até vários metros e várias toneladas. Este tipo de tecnologia tem sérias
vant vantag agen enss na prod produç ução ão de form formas as co comp mple lexa xas, s, pe peça çass co com m secç secçõe õess côncavas ou com cavidades internas, peças muito grandes e peças feitas a partir de materiais difíceis de maquinar/usinar. Devido a estas vantagens, a fundição é um dos mais importantes processos de produção.
2 – VANTAGENS a) As peças fundidas podem apresentar formas externas e internas desde as mais simples até as bem complicadas, com formatos impossíveis de serem obtidos por outros processos;
b) As peças fundidas podem apresentar dimensões limitadas somente pelas restrições das instalações onde são produzidas. Isso quer dizer que é possível produzir peças de poucos gramas de peso e com espessura de parede de apenas alguns milímetros ou pesando muitas toneladas; c) A fundição permite um alto grau de automatização e, com isso a produção rápida e em série de grandes quantidades de peças; d) As peças fundidas podem ser produzidas dentro de padrões variados de acabamentos (mais liso ou mais áspero) e tolerância dimensional (entre ± 0,2mm e ± 6mm) em função do processo de fundição usado. Por causa disso, há uma grande economia em operações de usinagem; e) A peça fundida possibilita grande economia de peso, porque permite a obtenção de paredes com espessuras quase ilimitadas. Hoje em dia, é quase impossível desenhar qualquer peça que não possa ser fundida por qualquer tipo de tecnologia de fundição existente. Contudo, como em todas as técnicas de produção, os melhores resultados a baixo
custo são atingidos se o projetista compreender as várias opções e desenhar as peças para serem utilizadas pelo processo mais apropriado e da maneira mais eficiente. Os vários processos diferem primeiramente no molde (areia (areia,, metal, metal, ou ou outro tross materi materiais ais)) e no métod método o de material do molde vazamento (gravidade, vácuo, baixa ou alta pressão). Todos os processos partil partilham ham o requi requisit sito o qu quee o ma mate teri rial al ao solidificar max maximi imiza za as sua suass previne ne potenc potenciai iaiss defeit defeitos, os, tais tais como como propriedad propriedades es e simu simultane ltaneamen amente te previ macro e micro rechupes, porosidade, inclusões, etc. [2] 3 – ETAPAS DA FABRICAÇÃO DE PEÇAS METÁLICAS POR FUNDIÇÃO Confecção do modelo. Essa etapa consiste em construir um modelo com o formato aproximado ao da peça a solidificada fundida. Esse, servirá para a construçã construçãoo de um mold molde. e. O modelo deve deve ser ligeiramente ligeiramente maior que a peça origin original, al, po pois, is, se dev devee lev levar ar em con conta ta a con contra tração ção durant durantee sol solidi idific ficaçã ação. o. (conforme os metais ou ligas a serem fundidas, estas são disponíveis em tabelas ou ábacos).
Obs. Portanto Portanto as dimensões do modelo devem prever a contração do
metal qua quando ndo ele se so solidi lidific ficar ar bem com comoo um eve eventu ntual al sob sobrem remeta etall pa para ra posterior usinagem da peça. Os modelo poderão ser feitos de madeira, alumínio, aço, resina plástica e até isopor; Modelo (conforme (conforme a região): nome dado dado à peça que servirá servirá para imprimir no molde ou forma ou negativo do componente a ser fundido.
Figura 2 – Modelo para fundição.
Confecção do molde. O molde é o dispositivo no qual o metal fundido é colo co loca cado do pa para ra qu quee se ob obte tenh nhaa a pe peça ça de dese seja jada da.. Ele é feito feito de ma mate teria riall refratário composto de areia e aglomerante. Esse material é moldado sobre o modelo que, após retirado, deixa uma cavidade com o formato da peça a ser fundida;
Confecção dos machos. Macho é um dispositivo, feito também de areia, que tem a finalidade de formar os vazios, furos e reentrâncias da peça. Eles são colocados nos moldes antes que eles sejam fechados para receber o metal líquido;
Fusão. Etapa em que acontece a fusão do metal; Vazamento. É o enchimento do molde com o metal líquido; Desmoldagem. Após Após de dete term rmin inad adoo pe perío ríodo do de temp tempoo em qu quee a pe peça ça se solidifica dentro do molde, e que depende do tipo de peça, do tipo de molde e do me meta tall (ou (ou liga liga met etál álic ica) a),, ela ela é reti retira rada da do mo mold ldee (des (desm molda oldage gem) m) manualmente ou por processos mecânicos;
Rebarbação. A rebarbação é a retirada dos canais de alimentação, al imentação, massalotes e rebarbas que se formam durante a fundição. Ela é realizada quando a peça atinge temperaturas próximas do ambiente;
Limpeza. A limpeza é necessária porque a peça apresenta uma série de incrustações de areia usada na confecção do molde. Geralmente ela é feita por meio de jatos abrasivos.
4 - ETAPAS DO PROCESSO 4.1 - Desenho das peças a serem fundidas. Ao se projetar uma peça para ser fundida, devem ser levados em conta os fenômenos que ocorrem na solidificação do metal líquido no interior do mold mo lde, e, ev evititan ando do as assi sim m os de defe feititos os oriu oriund ndos os do proc proces esso so.. Os fato fatore ress observados pelos técnicos dizem respeito à estrutura do metal (estrutura em forma de cristais), que aparece assim que o mesmo começa a se solidificar. As tensões provenientes do resfriamento e a espessura das paredes da peça, quando qua ndo não dev devida idame mente nte con consid sidera erados dos,, pod podem em result resultar ar num produt produtoo não conforme. É preciso dimensionar de maneira proporcional todas seções da peça, de modo a ocorrer uma variação suave e gradual das espessuras, eliminando-se cantos vivos e mudanças bruscas de direção.
4.2 - Fabricação do modelo •
Para a confecção do modelo é utilizada madeira, plásticos (poliuretano), metais (alumínio ou o ferrofundido).
•
Muitas vezes, se utiliza a própria peça como modelo, porém esta passa por um processo de ajuste tridimensional (geralmente com a aplicação de diversas camadas de tinta ou resina).
4.3 - Bi-partição do modelo •
Fabricam-se dois semi-modelos correspondentes a cada uma das partes do modelo principal que é necessário fabricar.
•
Dependendo da geometria, são confeccionados moldes macho e fêmea.
•
Também pode-se cortar o modelo ao meio, ou para ser imprimido em duas formas ( atenção na observação da espessura da lâmina de serra que cortou-o depois de acabado), por isso, é comum confeccionar estes com sua matéria bruta (antes da formação destes).
•
Devido Devido ao processo processo de utilização utilização de dois semi-modelo semi-modelos, s, em algumas algumas peças, peça s, depois de prontas prontas há uma espé espécie cie de marca separando separando-a -a em duas metades, (linha de apartação).
•
Acabamento do modelo : lixamento e pintura (desmoldante) (desmoldante)
5 - Moldagem A cavidade do molde, tendo a forma e tamanho desejado , tem de ser produzida tendo em conta as contrações e dilatações, devido à
solidificação do metal. O molde tem de ser capaz de produzir os detalhes desejados e possuir propriedades refratárias para que não seja afetado significativamente pelo metal fundido [2].
Fig. 3 – Projetista de moldes.
Fig. 4 – Obtenção do molde. Fig. 5 – Desenho 2D do molde.
Observações. Existem diversos tipos de moldes de fundição (areia, gesso, cerâmicos e metálicos), descartáveis, recicláveis, mecanizados, manuais, etc •
Para a compactação da areia cada semi modelo é colocado numa caixa de “moldagem”, preenchida e compactada
•
São retirados os moldelos, e são feitos os canais de respiro e vazamento. Após este processo são montadas as duas metades, em cujo interior está o negativo (cavidade) a ser preenchido pelo metal fundido.
•
Vale lembrar que as técnicas de moldagem por máquinas apresentam ainda problemas de vibração e de ruído.
Obs.
Resinas Sintéticas Para Aglomeração de Areia Resina sintética é um termo genérico de uma classe de substâncias composição química complexa, alto peso molecular e ponto de fusão indeterminado.Estes compostos apresentam propriedade e polimerização ou cura, isto é, fusão de várias moléculas pra formar longas cadeias moleculares. Ao se polimerizarem, as resinas sintéticas endurecem, formando blocos de material sólido e quimicamente inerte. A reação de polimerização é normalmente iniciada por certos reagentes químicos, como ácidos fortes ou ésteres, ou por condições físicas, como sabor ou radiação. As resinas sintéticas vêm sendo utilizadas comercialmente nos mais diversos produtos desde o início do século, quando foi introduzido o material conhecido como baquelite. Entretanto, foi somente durante a II Guerra Mundial que a indústria, ao pesquisar alternativas para as matérias-primas tradicionais, descobriu o imenso potencial de aplicação das resinas sintéticas.
MATÉRIAS-PRIMAS As principais matérias-primas empregadas na produção de resinas sintéticas para moldagem em areia são descritas rapidamente a seguir:
Metanol (álcool metílico) Líquido incolor, tóxico e inflamável, miscível em água, outros álcoois e éteres. O metanol é o primeiro e o mais simples dos álcoois alifáticos, com apenas 1 átomo de carbono. Ponto de ebulição: 64,5ºC. Utilizado na produção de formol, em sínteses químicas e como solvente.
Formol (formaldeído) Gás à temperatura ambiente, é geralmente misturado à água pra formar uma solução clara, incolor, irritante, com odor penetrante e forte efeito lacrimejante. O formol é um aldeído, o primeiro e o mais simples da série
alifática. Utilizado na manufatura de resinas sintéticas por reação com fenol, uréia, melamina e outros.É utilizado também como intermediário na síntese de outros produtos químicos e desinfetantes.
Fenol Sólido, cristalino, incolor, venenoso e corrosivo.É o composto químico mais simples da série dos fenóis. Ponto de fusão: aproximadamente 42ºC. Solúvel em água, álcool e éter. O fenol é empregado na fabricação de resinas para a fundição, resinas para abrasivos e materiais de fricção, aglomerados de lã de vidro e outras fibras, laminados para decoração, composições especiais de borracha e plásticos do tipo baquelite.
Uréia Sólida, cristalina, branca, praticamente inodora e incombustível, com ponto de fusão a 132,7ºC. É uma das principais matérias-primas para a produção de resinas uréia-formol. Que são resinas termo fixas de boa resistência.
Álcool furfurílico (furfurol) Líquido venenoso, solúvel em álcool e éter, miscível em água, facilmente resinificável por ácidos.Obtido por reação catalítica do furfural (aldeído furfurílico). Utilizado como solvente e na produção de resinas sintéticas para fundição.
Resinas Sintéticas
As resinas sintéticas podem ser classificadas em dois grandes grupos, de acordo coma sua propriedade final:
Resinas termoplásticas: são resinas que tem a propriedade de amolecer sob a ação do calor e de enrijecer quando resfriadas, todas as vezes que for aplicado o calor necessário.
Resinas termoestáveis termofixas: são compostos que ao se solidificarem (curarem) tornam-se produtos insolúveis, infusíveis, rígidos e estáveis.Isso significa que a cura não é apenas a evaporação do solvente, ou seja, a secagem propriamente dita, mas sim o desencadeamento de uma ou mais reações
químicas complexas,
como
condensação, reticulação,
polimerização, etc. Para que a cura se processe é imprescindível que existia no sistema um conjunto de condições que possibilitem estas reações, como calor e pH adequados.As características de insolubilidade e infusibilidade são inerentes às resinas sintéticas formadas por ligações cruzadas (reticulação).A estrutura química da resina é controlada de forma a que sua polimerização final ocorra apenas na utilização da resina na manufatura do produto final. Este é o principal tipo de resina empregado na indústria de fundição. As possibilidades de aplicação das resinas para aglomeração de areia em fundição foram percebidas há muito tempo. Entretanto, os primeiros sistemas de resinas comerciais surgiram apenas na década de 50. Atualmente, a aglomeração com resinas sintéticas praticamente substituiu os métodos anteriores, que sobrevivem apenas para algumas aplicações específicas ou em regiões economicamente pouco desenvolvidas. No Brasil, a ALBA Química foi pioneira no lançamento destas resinas, em 1960, e permanece desde então na liderança deste segmento. A seguir, uma breve descrição das principais resinas de interesse para a indústria de fundição de metais.
RESINAS FENÓLICAS Também chamadas resinas fenol-formol ou FF, são resinas sintéticas termofixas produzidas pela reação de fenol e formol. As primeiras informações sobre as resinas fenólicas surgiram em 1872, na Alemanha, quando A. VON Bayer descobriu que o fenol reagindo com o formol originava um produto
resinoso. Em 1907, nos EU, L.H. Baekeland publicou a primeira patente de real interesse sobre resinas fenólicas. Em 1910, as resinas fenólicas foram pela primeira vez aplicadas industrialmente na produção de vernizes de isolamento elétrico. A partir de 1914, a indústria de equipamentos elétricos come ou a utilizar regularmente estas reinas para a impregnação de papel e tecidos.A partir de 1920, iniciou-se o desenvolvimento de materiais moldados para a indústria automobilística e, sobretudo, para a indústria de equipamentos elétricos. As resinas fenólicas podem ser produzidas por processo alcalino ou ácido, em resultado em resinas alcalinas ou resóis e resinas ácidas ou novolacas. As resinas resóis caracterizam-se por um excesso de formol em relação ao fenol e são produzidas com catalisadores alcalinos, do tipo hidróxido de sódio, hidróxido de potássio, hidróxido de bário, etc. Uma grande quantidade de resóis é obtida coma variação da quantidade de formol em relação ao fenol, cuja relação molar oscila normalmente entre 1/1 e 2/1 (formol/fenol).É possível também a obtenção de produtos diferentes através de variações dos derivados fenólicos, dos catalisadores e dos processos de síntese.A temperatura para a obtenção de resóis varia de 40 a 120ºC, sendo a faixa dos 70-80ºC a mais utilizada.De forma geral, os resóis são líquidos, podendo também ser obtidos na forma sólida, quando necessário. Estas resinas exigem altas temperaturas para cura, acima de 130ºC, nível em que não necessitam de conversores, uma vez que sua proporção molecular e seu ambiente já estão em equilíbrio para uma perfeita cura final. Entretanto, algumas resinas podem ser curadas à temperatura ambiente, coma adição de conversores especiais, que destroem o inibidor e permitem que a reação continue até o final, como, por exemplo, as novas resinas ALPHASET e BETASET> Normalmente, as operações de aplicação, secagem e cura final são realizadas em curto intervalo e tempo. O grupo das resinas novolacas é obtido a partir de catalisadores ácidos e se caracteriza por um excesso de fenol com relação ao formol. As novolacas são normalmente s’lidas, e diferentes produtos são obtidos pela variação de mistura com derivados fenólicos, com catalisadores (que podem ser orgânicos ou inorgânicos) e com pequenas alterações no processo. A relação molar
fenol/formol, que normalmente vai de 1/0, 5 a 1/0, 88, é freqüentemente alterada para a obtenção de produtos diferentes. As resinas fenólicas do tipo novolacas podem ser entregues para consumo tanto na forma sólida quanto em solução em solventes orgânicos. Estas resinas se caracterizam pela sua excelente estabilidade na armazenagem. Sua proporção molecular exige a adição de conversores para a cura final, sendo a hexametilenotetramina (ou hexamina) o conversor mais empregado. As composições com novolacas podem ser armazenadas por longo tempo. Exigem altas temperaturas para cura. Tanto as resinas fenólicas do tipo resol como as novolacas encontram largo emprego como aglomerantes de areia, bem como na preparação de revestimentos de machos e moldes para a fundição. Ao selecionar resinas fenólicas para uma determinada aplicação é necessário observar o grau de dilutibilidade, a solubilidade, as condições de diluição e a compatibilidade de resina em relação às funções da aplicação.
RESINAS URÉIA-FORMOL Também chamadas resinas uréicas ou UF, são resinas termofixas produzidas pela reação de formol com uréia. Apresentam alta qualidade, extraordinária versatilidade e baixo custo. Podem ser produzidas com diversas composições moleculares, puras ou modificadas por outros compostos, resultando em resinas especiais, como, por exemplo, as modificadas com álcool furfurílico. As resinas uréicas contêm nitrogênio, originário da própria uréia, que é uma amina. Podem ser formuladas com diversas temperaturas de cura, desde a temperatura ambiente até 200ºC. Para a cura final é necessário secar a resina pela evaporação do solvente (água) e adicionar um conversor que destrua a ação dos inibidores e estabilizantes. Resistem bem aos solventes orgânicos, mas são hidrolisadas por ácidos e bases fortes.
RESINAS FURÂNICAS São resinas complexas, com três componentes ativos: Uréiaformol/álcool furfurílico (UF/FA) ou fenol-formol/álcool furfurílico (FF/FA). São resinas líquidas e termofixas, catalisadas por sistemas ácidos. Resinas furânicas especiais do tipo novolaca são utilizados em outras áreas técnicas. Em fundição, utilizam-se os seguintes tipos básicos de resinas:
Resina uréica-furânica (UF/FA): apresenta teor de álcool furfurílico entre 30 e 80% e vários teores de nitrogênio e água. Tem alta resistência a frio e é adequada para o uso com alumínio e ferros fundidos de baixa liga. Em alguns casos, os altos teores de nitrogênio poderão interferir na qualidade final do fundido, causando porosidades.
Resina fenólica-furânica: apresenta teor de álcool entre 30 e 70%, com um desempenho ligeiramente inferior à UF/FA em termos de desenvolvimento de resistência a frio. Entretanto, devido à ausência de nitrogênio, é mais indicada para o uso com aço, ferro fundido nodular e ferro fundido de alta resistência.
Resina uréica-fenólica-furânica (UF/FF/FA): apresenta teor de álcool furfurílico entre 40 e 85%, com baixos teores de nitrogênio, apesar de manter um bom desenvolvimento de resistência a frio.É adequada para ferro fundido de alta resistência, ferro fundido nodular e aço.
CONVERSORES
São compostos auxiliares utilizados em conjunto com as resinas sintéticas para promover sua polimerização ou cura. Há sempre um conversor adequado para cada situação específica de produção. De forma geral, as resinas fenólicas novolaca de cura a quente utilizam como conversor a hexamina, que, pela ação do calor, se desdobra em amoníaco e formol, promovendo a reação de cura.
De forma geral, as resinas de cura a frio utilizam como conversores alguns ácidos fortes. Os ácidos mais freqüentemente utilizados com resinas furânicas são o ácido fosfórico, o ácido paratolueno sulfônico (PTSA) e o ácido xileno sulfônico (XSA). O ácido fosfórico e suas misturas são recomendados para uso apenas com resinas do tipo uréica-furânica. A recuperação da areia geralmente não é possível com estes conversores, devido à formação de fosfatos na areia, o que resulta em resistência final inferior e absorção de fósforo pelo metal.Os ácidos paratolueno sulfônico e xileno sulfônico podem ser usados com todos os tipos de resinas furânicas. São altamente recomendados do ponto de vista da recuperação de areia, devido à facilidade de decomposição coma resina durante o vazamento do metal. Os sistemas mais avançados de moldagem pelo processo cura a frio utilizam resinas curadas por ésteres.
PROCESSO DE CURA A FRIO (NO-BAKE/COLDSET) RESINAS CONVENCIONAIS Neste processo, a resina aglomerante de areia solidifica-se à temperatura ambiente, quando exposta a um conversor ácido.A cura é exotérmica. A retirada do macho da caixa pode ser feita em poucos minutos à temperatura ambiente; a resistência máxima é atingida em 4 ou 5 horas aproximadamente. Os moldes e machos produzidos por este sistema apresentam boa precisão dimensional e boa fluidez da areia. Este sistema faz uso de resinas furânicas e fenólicas e não requer qualquer equipamento especial. Suas principais vantagens são a facilidade de produção, boa remoção dos machos, excelente acabamento superficial e excelente estabilidade dimensional dos machos e moldes.Não há necessidade de compactação ou compressão da areia nas caixas de machos.Basta verter a areia nas caixas.
Devido à alta resistência dos machos produzidos com resinas furânicas, não são necessárias armações reforçadas.Em muitos casos, são usados apenas os tirantes necessários à movimentação dos machos.Os machos produzidos apresentam boa colapsibilidade, e a areia pode ser removida rapidamente dos fundidos.Dependendo das dimensões, o macho poderá ser extraído da caixa num lapso de 15 a 60 minutos. O teor de resina empregado neste processo está na caixa de 1,2 a 1,5%, do peso da areia. A concentração do conversor normalmente varia entre 20 e 30% do peso da resina, dependendo da vida útil da mistura, do tempo de cura desejado e da temperatura ambiente. A umidade da areia é um dos fatores que causam o retardamento da cura.Recomenda-se usar areia seca e limpa, isenta de argila, carbonatos, calcários e outras impurezas. Qualquer que seja o tipo de equipamento utilizado para a mistura, é importante que esteja limpo. Contaminações com outros tipos de resinas ou conversores podem causar efeitos indesejáveis. Precauções: No manuseio dos conversores ácidos, deverão ser
tomadas todas as precauções usuais para líquidos corrosivos, uma vez que estes conversores são à base de ácidos concentrados.Evitar contatos com a pele.Utilizar recipientes de plástico, vidro ou louça para a armazenagem, evitando recipientes metálicos.
5. 1 - Caixas para moldagem São armação metálica ou de outro material resistente usado para conter, sustentar e manter a areia utilizada na realização de um molde.
Fig. 6 – Caixas de moldação.
Fig. 7– Lavagem das caixas de moldação.
As caixas, durante o processo, são submetidas a grandes esforços logo, para satisfazer estas exigências devem ser reunidas várias qualidades: Resistência: para suportar impactos durante todo o ciclo (batidas e compactação); Peso: devem ter o peso ideal para facilitar o manuseamento e economizar energia [8]. A moldação pode ser obtida por vários processos, que diferem entre si, principalmente, na forma como é feita a compactação da areia de moldação em redor da placa molde. Os métodos de compactação da areia /execução da moldação mais utilizados são o processo sacudidela e aperto (Jolt-squeeze), o processo Disamatic e a moldação por impacto.
5.2 - Sacudidela e aperto (Sistema Jolt-Squeeze) Neste sistema a compactação consegue-se através de 2 efeitos consecutivos (figura 8): 1. Movimentos bruscos de subida e descida da caixa de moldação em simultâneo com a operação de enchimento da areia, em que a súbita desaceleração provoca uma forte compactação da areia em redor do molde (Sacudidela); 2. Compressão da areia já compactada através de uma prensa (Aperto).
Fig. 8 – Compactação “Jolt Squeeze”. Fig. 9 – Máquina “Jolt Squeeze”.
Embora não seja um processo de grande precisão, nem se consigam cadências de produção muito elevadas, a simplicidade do processo, os baixos custos do equipamento e ferramentas (caixas de moldação e placas molde), bem como os de operação, tornam este processo de compactação o mais utilizado pelas fundições de areia verde [4]
5.3 - Processo Disamatic Este processo é muito importante pois, contrariamente aos outros processos de fundição em areia verde, este não utiliza caixas de moldação mas apenas areia.
Descrição do processo: Passo 1
Inicialmente, a areia é colocada numa cavidade, entre as duas placas
molde, quando a porta basculante se encontra fechada (passo 1).
(a) Passo 2
Seguidamente o pistão exerce
uma pressão sobre a porta basculante, comprimindo a areia (passo 2). Isto leva à formação de um bloco de areia com uma determinada forma de cada lado do
bloco,
resultante
desenho
placas
do molde
das
(a).
Passo 3
A porta basculante recua horizontalmente e depois verticalmente, para permitir a saída do bloco de areia da cavidade (passo 3).
Passo 4
O pistão movimenta-se horizontalmente, empurrando o novo bloco de
areia, juntando-o à fila de blocos já existente. Este conjunto transforma-se assim em moldes onde vai ser posteriormente vazado o metal líquido
(passo 4). As duas placas molde retornam à posição original, para o processo se repetir (passo 5). Não é possível vazar o metal quando só existe apenas um bloco de areia, pois este por si só não forma uma cavidade de moldação (b).
Passo 5
(b)
Passo 6
Quando os blocos de areia se encontram alinhados formam, dois a dois o molde onde vai ser vazado o metal líquido, dando origem ao fundido (passo 6) [13].
5.4 - Moldação por impacto A moldação por impacto é o sistema mais recente de moldação em areia verde. Neste sistema, após o enchimento da caixa de moldação com areia,
é aplicado um impulso de ar comprimido à superfície da areia, a uma pressão de cerca de 4 bar, não sendo utilizado nenhum outro processo de compactação (Figura 10). O sistema dá origem a uma densidade de areia
muito elevada na zona em contacto com o molde, a qual diminui à medida que aumenta a distância ao molde. Com esta característica, a moldação apresenta uma resistência mecânica excelente na zona que ficará em contacto com o fundido, condição necessária à obtenção de peças de boa precisão dimensional e geométrica. A diminuição da densidade da mistura
ao longo da parede da moldação vai por sua vez conduzir a melhorias substanciais no que se refere à permeabilidade da mesma. Pelos mesmos motivos que os apresentados para o processo Disamatic (elevados custos) e acrescentando ainda o custo elevadíssimo das caixas de moldação, a moldação por impacto está essencialmente vocacionada para a obtenção de médias e grandes séries de peças de dimensão média [4].
Fig. 10 – Moldação por impacto.
As superfícies do molde devem respeitar ângulos mínimos em relação ao modelo, com o objetivo de não danificar os formatos tomados pela areia durante a extração da peça que serve como modelo. Este ângulo é denominado ângulo de saída. 5.5 - Molde Metálico •
Os processos que empregam moldes metálicos são:
•
Fundição em Molde Permanente;
•
Fundição sob pressão.
5.6 - Moldes Permanentes •
A aplicação mais conhecida é a da fundição de "lingotes",. Os moldes nesse caso, serão chamados de "lingoteiras".
6 - Fabricação do “macho” - macharia O macho, no processo de moldagem, tem a função de formar uma seção cheia onde o metal não everá penetrar, de modo que depois de fundida, a peça apresente um vazio naquele ponto. A localização dos achos é dada em função do tipo e da forma como a peça vai ser produzida (moldagem manual, moldagem m placas, moldagem mecânica). A figura (11) seguinte ilustra um exemplo simples de uma peça já acabada e o papel do macho antes de sua fundição. .
Figura 11- Representação esquemática de um processo de moldagem •
O macho é um elemento refratário colocado no molde para definir uma cavidade ou espaço vazio no fundido final.
•
Um vez que o material irá fluir em volta do macho ele tem de ser mecanicamente forte durante o vazamento e ainda tornar-se quebradiço após o vazamento e o resfriamento, permitindo assim, uma facil remoção da peça fundida.
•
A areia para a fabricação do macho é preparada em um misturador através da mistura de areia de silica com um ligante orgânico tal como o óleo de linhaça e amido ou dextrina.
6.1 - Colocação do Macho •
Geralmente os machos são fabricados com areias mais finas e misturadas com materiais que proporcionam uma compactação maior (Existem algumas argilas específicas).
Um exemplo do uso de machos:
blocos de motores, onde existe a
necessidade de preservar os condutos de lubrificação e de passagem de água para resfriamento.
7 - Molde em areia seca •
Molde se consolida em altas temperaturas (entre 200 e 300° C). Método utilizado para aumentar a resistência mecânica e a rigidez da forma de fundição.
•
Processo permite a modelação de peças de grandes dimensões e geometrias complexas. A precisão dimensional é boa e o acabamento
superficial é bom, pois o corrugamento das peças causado pela areia é bem menor.
8- Moldagem em areia verde O processo de moldação em areia verde é responsável por mais de
60 % da produção mundial de fundidos [3]. Uma moldação em areia é normalmente constituída por 2 meias
moldações, embora para peças de geometria complexa, possa ser necessário utilizar mais do que um plano de apartação. Excetuando estes casos, bem como a fundição de peças de grandes dimensões ou pequenas
quantidades de peças para as quais é utilizada a moldação manual, o processo é normalmente mecanizado. Cada meia moldação é obtida através da compactação de areia de
moldação em redor de um molde/placa molde, no interior de uma caixa metálica. Os processos utilizados para compactação do molde são sacudidela e aperto (jolt squeeze), impacto ou Disamatic. Após esta operação efectua-se a separação/extracção do molde/placa molde (desmoldação), obtendo-se uma cavidade na areia destinada a receber o metal líquido.
Se o fundido tiver secções ocas, cilíndricas ou de outras formas variadas é necessário a utilização de machos . Estes são elaborados em areia mais endurecida (esta areia é endurecida por aquecimento ou quimicamente).
8.1 - Circuito de fundição em areia verde.
Figura 12 Representação esquemática de um circuito de produção de peças fundidas
Etapas do Processo de Preparação do Molde
I. A caixa de moldar é colocada sobre uma placa de madeira ou no chão. O modelo, coberto com talco ougrafite para evitar a 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;
Essa caixa, chamada de caixa-fundo, é virada de modo que o molde fique para cima;
Outra caixa de moldar, chamada caixa-tampa, é então posta sobre a primeira caixa. Em seu interiorsão colocados o massalote e o canal de descida. Enche-se a caixa com 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 tampa;
Abre-se o canal de distribuição e canal de entrada na caixa fundo e retira-se o modelo;
Coloca-se a caixa de cima sobre a caixa de baixo. Para prender uma na outra, usam-se 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-se assim, a peça fundida, que depois é limpa e rebarbada. Para que um produto fundido tenha a qualidade que se espera dele, os moldes devem apresentar as seguintes características essenciais:
a) Resistência suficiente para suportar a pressão do metal líquido; b) Resistência à ação erosiva do metal que escoa rapidamente durante o vazamento;
c) Mínima geração de gás durante o processo de vazamento e solidificação, a fim de impedir a contaminaçãodo metal e o rompimento do molde;
d) Permeabilidade suficiente para que os gases gerados possam sair durante o vazamento do metal;
e) Refratariedade que permita suportar as altas temperaturas de fusão dos metais e que facilite a desmoldagem da peça;
f) Possibilidade de contração da peça, que acontece durante a solidificação.
9 - Modelo de cera descartável em moldes para microfusão •
Modelos de cera descartável, normalmente são utilizados para modelagens delicadas das peças que precisam de acabamento fino.
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Estes processos são chamados também de microfusão. Sua fabricação consiste num modelo em cera ou plástico de baixo ponto de fusão.
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Em seguida a peça em cera ou plástico é inserida no material que a recobrirá, formando assim o molde preenchido com o modelo.
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A granulação do material do molde que recobre o modelo deve ser fina para dar um melhor acabamento na peça fundida. Após a formação do molde preliminar, este material é recobreto por outro de granulação maior com a finalidade de proporcionar rigidez mecânica ao conjunto que terá a cavidade preenchida com o material liquefeito.
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Um detalhe importante deste sistema de confecção do molde, é que uma vez completo, o modelo não é retirado de seu interior, ele é derretido.
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A principal vantagem deste sistema é a ausência de machos e de superfícies de junta, ficando a peça com acabamento fino.
10. Molde coquilha •
Ao invés da conformação em areia usa-se um tipo de molde fixo e maciço chamado " coquilha”. Trata-se de um sistema onde o metal fundido ou é derramado por gravidade ou é injetado através de equipamento pneumático ou hidráulico em cavidades mecânicas (negativo) ou formas de metal maciço não aderente à liga fundida.
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A vantagem é a rapidez de injeção, resfriamento e extração da peça pronta.
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A desvantagem da coquilha é a geometria limitada das peças a serem fundidas.
11- Fundição por injeção
Basicamente obedece ao mesmo processo da coquilha, porém o molde é mecanizado. Existem menos restrições à geometria das peças, pois o molde é fabricado por processos como eletroerosão, por laser, entre outros, que dão excelente acabamento.
12 - Fundição sob pressão Consiste em forçar o metal líquido a penetrar na cavidade do molde, chamado de matriz. A matriz, de aço ferramenta tratado termicamente, é geralmente construída em duas partes hermeticamente fechadas no momento do vazamento do metal líquido. O metal é bombeado na cavidade da matriz sob pressão suficiente para o preenchimento total de todos os seus espaços e cavidades. A pressão é mantida até que o metal sesolidifique. Então, a matriz é aberta e a peça ejetada por meio de pinos acionados hidraulicamente.
Figura 13- Siatemas de injeção sob pressão
Muitas matrizes são refrigeradas a água. Isso é importante para evitar superaquecimento da matriz, afim de aumentar sua vida útil e evitar defeitos nas peças. Para realizar sua função, as matrizes têm que ter resistência suficiente para agüentar o desgasteimposto pela fundição sob pressão, e são capazes de suportar entre 50 mil e 1 milhão de injeções.
12.1 - Máquinas de Fundição sob Pressão A fundição sob pressão é automatizada e realizada em dois tipos de máquina: • Máquina de câmara quente; • Máquina de câmara fria.
Em princípio, o processo de fundição sob pressão realizado na máquina de câmara quente utiliza umequipamento no qual existe um recipiente aquecido onde o metal líquido está depositado. No seu interior estáum pistão hidráulico que, ao descer, força o metal líquido a entrar em um canal que leva diretamente à matriz. A pressão exercida pelo pistão faz com que todas as cavidades da matriz sejam preenchidas,formando-se assim a peça. Após a solidificação do metal, o pistão retorna à sua posição inicial, mais metal líquido entra na câmara, por meio de um orifício, e o processo se reinicia. Uma representação esquemática desse equipamento é mostrada abaixo.
Figura 14 – Representação de um sistema de molde usado sob pressão Essa máquina é dotada de duas mesas: uma fixa e outra móvel. Na mesa fixa ficam uma das metadesda matriz e o sistema de injeção do metal. Na mesa móvel localizam-se a outra metade da matriz, o sistema de extração da peça e o sistema de abertura, fechamento e travamento da máquina. Ela é usada quando o metal líquido se funde a uma temperatura que não corrói o material do cilindro e do pistão de injeção, de modo que ambos possam ficar em contato direto com o banho de metal. Se a liga se funde a uma temperatura mais alta, o que prejudicaria o sistema de bombeamento (cilindro e pistão), usa-se a máquina de fundição sob pressão de câmara fria, empregada principalmente para fundir ligas de alumínio, magnésio e cobre. O princípio de funcionamento desse equipamento é o mesmo. A diferença é que o forno que contém o metal líquido é uma unidade independente, de modo que o sistema de injeção não fica dentro do banho de metal. Veja representação esquemática abaixo.
Figura 15 - Representação esquemática de um sistema de injeção de metal sob pressão.
12.2 - Resumo •
Consiste em forçar o metal liquido sob pressão, a penetrar na cavidade do molde, chamado matriz (metálica, permanente).
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Devido à pressão e a consequente alta velocidade de enchimento da cavidade do molde, o processo possibilita a fabricação de peças de formas bastante complexas e de paredes mais finas do que os processos por gravidade permitem.
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A matriz é geralmente construída em duas partes, que são hermeticamente fechadas no momento do vazamento do metal líquido. Ela pode ser utilizada fria ou aquecida à temperatura do metal líquido, o que exige materiais que suportem essas temperaturas
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simultaneamente, produz-se alguma rebarba. Enquanto o metal solidifica, é mantida a pressão durante um certo tempo, até que a solidificação se complete.
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A seguir, a matriz é aberta e a peça é expelida. Procede-se, então, a limpeza da matriz e a sua lubrificação. Fecha-se novamente e o ciclo é repetido.
12.3 - Principais Vantagens •
Produção de formas mais complexas do que no caso da fundição por gravidade;
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Produção de peças de paredes mais finas e tolerâncias dimensionais mais estreitas;
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Alta capacidade de pordução;
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Produção de peças quase que acabadas;
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Utilização da mesma matriz para milhares de peças, sem variaçãoes significativas nas dimensões das peças produzidas;
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As peças fundidas sob pressão podem ser tratadas superficialmente por revestimentos superficiais, com um mínimo de preparo prévio da superfície;
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Algumas ligas, como a de Alumínio, apresentam maiores resistências do que se forem fundidas em areia.
12.4 - Principais Desvantagens •
As dimensões das peças são limitadas - normalmente seu peso é inferior a 5kg; raramente ultrapassa 25kg;
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Pode haver dificuldade de evasão do ar retido no interior da matriz dependendo dos contornos das cavidades e dos canais; o ar retido é a principal causa de porosidade nas peças fundidas;
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O equipamentos e os acessórios, são relativamente caros, de modo que o processo somente se torna econômico para grandes volumes de produção;
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Processo com poucas excessões, só é empregado para ligas cujas temperaturas de fusão não são superiores às da liga de cobre.
13- Fundição por centrifugação •
O processo consiste em vazar-se metal líquido num molde dotado de movimento de rotação, de modo que a força centrífuga origine uma pressão além da gravidade, que obriga o metal líquido ir de encontro com as paredes do molde onde aquele se solidifica.
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A máquina empregada, consiste essencialmente de um molde metálico cilíndrico, montado em roletes, de modo que nele se possa aplicar o movimento de rotação. Esse cilindro é rodeado por uma camisa de água
estacionária, montada por sua vez, em rodas, de modo a permitir que o conjunto se movimente longitudinalmente. 14 - Fundição de Precisão
Quando se quer produzir um produto fundido com peso máximo de 5 kg, formato complexo, melhor acabamento de superfície e tolerâncias mais estreitas em suas medidas, ou seja, um produto com características aliadas à qualidade do produto usinado, será necessário usar o processo de fundição de precisão. Por esse processo, pode-se fundir ligas de alumínio, de níquel, de magnésio, de cobre, de cobreberílio,de bronze-silício, latão ao silício, ligas resistentes ao calor, além do aço e do aço inoxidável para a produção de peças estruturais para a indústria aeronáutica, para motores de avião, equipamentos aeroespaciais, de processamento de dados, turbina a gás, máquinas operatrizes, equipamentos médicos,odontológicos, ópticos, etc. A fundição de precisão se diferencia dos outros processos exatamente na confecção dos modelos e dos moldes. Enquanto nos processos por fundição em areia, o modelo é reaproveitado e o molde é destruído após a produção da peça, na fundição de precisão tanto o modelo quanto o molde são destruídos após a produção da peça. Neste caso, os modelos para a confecção dos moldes são produzidos em cera a partir de uma matriz metálica formada por uma cavidade com formato e dimensões da peça desejada. A cera é um material que derrete com o calor. E é no estado líquido que ela é injetada dentro da matriz para formar os modelos. O molde é produzido a partir de uma pasta ou lama refratária feita com sílica ou zirconita, na forma deareia muito fina, misturada com um aglomerante feito com água, silicato de sódio e/ou silicato de etila. Essa lama endurece em contato com o ar e é nela que o modelo de cera ou plástico é mergulhado. Quando a lama,endurece em voltado modelo forma-se um molde rígido. Após o endurecimento da pasta refratária, o molde éaquecido, o modelo derretido, e destruído.
Essa casca endurecida é o molde propriamente dito e é nele que o metal líquido é vazado. Assim que apeça se solidifica, o modelo é inutilizado. Por causa das características deste processo, ele também pode ser chamado de fundição por moldagem em cera perdida.
Resumindo, a fundição por moldagem em cera perdida apresenta as seguintes etapas: I.
A cera fundida é injetada na matriz para a produção do modelo e dos canais de vazamento;
II. Os modelos de cera endurecidos são montados no canal de alimentação ou vazamento; III. O conjunto é mergulhado na lama refratária; IV. O material do molde endurece e os modelos são derretidos e escoam;
Depois que a peça se solidifica, o material do molde é quebrado para que as peças sejam retiradas; As peças são rebarbadas e limpas;
•
Os processos de fundição por precisão utiliza um molde obtido pelo revestimento de um modelo consumível com uma pasta ou argamassa refratária que endurece à temperatura ambiente ou mediante a um adequado aquecimento.
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Uma vez que essa pasta refratária foi endurecida, o modelo é consumido ou inutilizado. Tem-se assim uma casca endurecida que constitui o
molde propriamente dito, com as cavidades correspondentes à peça que se deseja produzir.
14.1 - Principais Vantagens e desvantagens •
Possibilidade de produção em massa de peças de formas complicadas que são ddifíceis ou impossíveis de obter processos convencionais de fundição oupor usinagem;
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Possibilidade de reprodução de pormenores precisos, cantos vivos, paredes finas etc.;
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Obtenção de maior precisão dimensional e superfícies mais macias;
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Utilização de praticamente qualquer metal ou liga;
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As peças podem ser produzidas praticamente acabadas, necessitando de pouca ou nenhuma usinagem posterior, o que torna mínima a importância de adotarem-se ligas fáceis de usinar;
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O processo permite um rigoroso controle do tamanho e contornos dos grãos solidificação direcional e orientação granular, o que resulta em controle mais preciso das propriedades mecânicas;
•
O processo pode adotar fusão sob atmosfera protetora ou sob vácuo, o permite a utilização de ligas que exijam tais condições.
•
As dimensões de peso são limitados, devido a considerações econõmicas e físicas, e devido à capacidade do equipamento disponivel. O peso recomendado dessas peças não deve ser superior a 5kg.
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O investimento inicial para peças maiores(de ~5kg a 25kg)é muito elevado.
14.2 - Etapas do processo de fundição de precisão pelo sistema de cera perdida A partir da matriz: 1) A cera é injetada no interior da matriz para confecção dos modelos; 2) Os modelos de cera endurecida são ligados a um canal central; 3) Um recipiente metálico é colocado ao redor do grupo de modelos; 4) O recipiente é enchido com uma pasta refratária (investimento), para confecções do molde;
5) Assim que o material do molde endurecer, pelo aquecimento, os modelos são derretidos e deixam o molde; 6) O molde aquecido é enchido do metal líquido, sob ação de pressão, por gravidade, a vácuo ou por intermédio da força centrifuga: 7) O material do molde é quebrado e as peças fundidas são retiradas; 8) As peças são separadas do canal central e dos canais de enchimento, esmerilhadas.
15 - Fundição Usando o Método “Shell Molding” O uso de resinas foi um grande aperfeiçoamento na utilização de areia para a produção de moldes de fundição. A areia não precisa mais ser compactada porque o aglomerante, que é como uma espécie de cola, tendo a função de manter juntos os grãos de areia. E isso é feito de dois modos: a quente e a fria. O processo “Shell Molding” (Moldagem de Casca) é realizado da seguinte maneira: I. Os modelos, feitos de metal para resistir ao calor e ao desgaste, são fixados em placas, juntamentecom os sistemas de canais e os alimentadores;
II. A placa é presa na máquina e aquecida por meio de bicos de gás até atingir a temperatura de trabalho(entre 200 e 250oC);
III. A placa é então girada contra um reservatório contendo uma mistura de areia/resina de modo que omodelo fique envolto por essa mistura;
IV. O calor funde a resina que envolve os grãos de areia e essa mistura, após algum tempo (± 15segundos), forma uma casca (“Shell”) com a espessura necessária (entre 10 e 15mm) sobre o modelo;
V. A “cura” da casca, ou seja, o endurecimento da resina se completa quando a placa é colocada em uma estufa em temperaturas entre 350 e 450oC;
VI. Após 2 ou 3 minutos, a casca é extraída do modelo por meio de pinos extratores. Por causa da característica do processo, a casca corresponde a uma metade do molde. Para obter omolde inteiro, é necessário colar duas metades. Esse processo de moldagem permite que os moldes e machos sejam estocados para uso posterior. Além disso, ele fornece um bom acabamento para a superfície da peça, alta estabilidade dimensional para omolde, possibilidade de trabalhar com tolerâncias mais estreitas, facilidade de liberação de gases durante asolidificação. É totalmente mecanizado e automatizado e é adequado para peças pequenas e de formatos complexos. A fundição das peças é feita por gravidade. A maior desvantagem deste processo é o custo mais elevado em relação à moldagem em areia verde. Outra maneira de se obter o endurecimento ou “cura” da resina sem a utilização do calor, é o processo de“cura” a frio no qual a resina empregada se encontra em estado líquido. Para que a reação química seja desencadeada adiciona-se um catalisador a mistura de resina com areia limpa e seca. Essa mistura é feita, pormeio de equipamentos, na hora da moldagem e deve ser
empregada imediatamente porque a reação química de cura começa a se desenvolver assim que a mistura está pronta. O processo é o seguinte: a) Os modelos, que podem ser feitos de madeira, são fixados em caixas; b) A mistura areia/resina/catalisador é feita e continuamente despejada e socada dentro da caixa, demodo garantir sua compactação; c) A reação de “cura” inicia-se imediatamente após a moldagem e se completa algumas horas depois; d) O modelo é retirado girando-se a caixa 180o C ; e) O molde é então pintado com tintas especiais para fundição. Estas têm duas funções: aumentar aresistência do molde às tensões geradas pela ação do metal líquido, e dar um melhor acabamento para a superfície da peça fundida; f) O molde é aquecido com maçarico ou é levado para um estufa para secagem da tinta. Com esse processo, os fundidores obtêm moldes mais rígidos para serem usados na produção depeças grandes e de formatos complicados com bom acabamento de superfície. O vazamento do metal é feito por gravidade. A “cura” a frio é um processo de moldagem mais caro quando comparado aos outros processos que usam areia. Além disso, os catalisadores são compostos de substâncias ácidas e corrosivas, que exigem muito cuidado na manipulação porque são muito tóxicas.
16 - Moldes Permanentes Dependendo do trabalho que se quer realizar, da quantidade de peças a serem fundidas e, principalmente, do tipo de liga metálica que será fundida, o fabricante tem que fundir suas peças em outro tipo de molde: os moldes permanentes, que dispensam o uso da areia e das misturas para sua confecção. Os processos de fundição por molde permanente usam moldes metálicos para a produção das peças fundidas. Por esses processos realiza-se a fundição por gravidade ou pressão. Usar um molde permanente significa que não é necessário produzir um novo molde a cada peça que se vai fundir. A vida útil de um molde metálico permite a fundição de até 100 mil peças. Um número tão impressionante deveria possibilitar a extensão de seu uso a todos os processos de fundição.
A utilização dos moldes metálicos está restrita aos metais com temperatura de fusão mais baixas do que o ferro e o aço. Esses metais são representados pelas ligas com chumbo, zinco, alumínio, magnésio, certos bronzes e, excepcionalmente, o ferro fundido. O motivo dessa restrição é que as altas temperaturas necessárias à fusão do aço, por exemplo, danificariam os moldes de metal. Os moldes permanentes são feitos de aço ou ferro fundido ligado, resistente ao calor e às repetidas mudanças de temperatura. Moldes feitos de bronze podem ser usados para fundir estanho, chumbo e zinco.
Moldes metálicos para a produção de peças.
Os produtos típicos da fundição em moldes permanentes são: bases de máquinas, blocos de cilindros de compressores, cabeçotes, bielas, pistões e cabeçotes de cilindros de motores de automóveis, coletores de admissão. Esses produtos, se comparados com peças fundidas em moldes de areia, apresentam maior uniformidade, melhor acabamento de superfície, tolerâncias dimensionais mais estreitas e melhores propriedades mecânicas. Por outro lado, além de seu emprego estar limitado a peças de tamanho pequeno e produção em grandes quantidades, os moldes permanentes nem sempre se adaptam a todas as ligas metálicas e são mais usados para a fabricação de peças de formatos mais simples, porque uma peça de formas complicadas dificulta não só o projeto do molde, mas também a extração da peça após o processo de fundição. Para fundir peças em moldes metálicos permanentes, pode-se vazar o metal por gravidade. Nesse caso, o molde consiste em duas ou mais partes
unidas por meio de grampos para receber o metal líquido. Isso pode ser feito manualmente.
A montagem dos moldes também pode ser feita por meio de dispositivos mecânicos movidos porconjuntos hidráulicos, que comandam o ciclo de abertura e fechamento dos moldes.
Tanto os moldes quanto os machos são cobertos com uma pasta adesiva rala feita de materialrefratário cuja função, além de proteger os moldes, é impedir que as peças grudem neles, facilitando a desmoldagem. A fundição com moldes metálicos também é feita sob pressão. Nesse caso o molde chama-se matriz.
16 - Processo de Fundição com Areia Aglomerada com resina de cura a frio Este processo apresenta uma mistura de areia de sílica com um ligante reativo (resina) e um catalisador, que são misturados antes da moldagem; A reação de endurecimento (polimerização), ocorre sem nenhum outro tratamento, com o molde endurecendo-se num determinado período de tempo a temperatura ambiente, em função do tipo e quantidade de catalisador (são os aceleradores da reação). Tipos de resinas utilizadas: Lino Cure, Furanica, Fenólica, Alquídica. Tipos de catalisadores utilizados: ácido Fosfórico, ácido Tolueno sulfônico, ácido orgânicos.
17 - DRENOS •
Quando o material fundido preenche as cavidades, é necessário que haja uma pequena sobra deste para expulsar o ar e possíveis contaminações. para possibilitar a drenagem do material..
18- COLOCAÇÃO DE CANAIS DE VAZAMENTO A figura seguinte mostra a disposição dos canais antes mencionados e a nomenclatura utilizada. Observe que ocorre uma região de estrangulamento no final do canal de descida. Ela tem a função de diminuir a pressão do metal líquido quando este penetrar dentro do molde, permitindo um enchimento mais homogêneo
Figura 16 - Representação esquemática de um sistema para vazamento de metal líquido no interior de um molde para fundição.
18 - Vazamento O fator mais importante que afeta a fluidez do metal fundido é a
temperatura de vazamento ou a quantidade de sobreaquecimento, embora, a temperatura e o intervalo de arrefecimento sejam também fatores importantes que afetam a fluidez. Quanto mais alta for a temperatura de vazamento, mais elevada é a fluidez. Contudo, auma temperatura excessivamente alta, as reações do metal são aceleradas e a penetração em pequenos vazios é possível, entre as partículas da areia no molde, que deixará partículas embutidas na peça de fundição, traduzindo-se num defeito mecânico.
Fig. 17 – Vazamento na linha de moldagem
A técnica de vazamento tem de ser projetada para introduzir o metal fundido no molde. Têm de ser tomadas precauções para a liberação do ar e dos gases no molde antes do vazamento e aqueles que são gerados pela secção do metal quente que entra no molde. O metal fundido pode então encher completamente a cavidade, produzindo um fundido de qualidade, visto que é denso e não tem defeitos [2].
19 - Resfriamento e solidificação O processo de solidificação deve ser desenhado e controlado
convenientemente. Devem ser tomadas precauções para que o molde não apresente muitas restrições às contracções que acompanham o
arrefecimento do metal sólido. Se não, o fundido irá fraturar quando estiver a solidificar e a sua resistência será baixa. Em adição, o desenho do fundido tem de ser tal que a solidificação
e as contrações de solidificação podem ocorrer sem produzir porosidade interna ou rechupes. Depois do metal fundido ser vazado para o molde, uma série de eventos toma lugar durante a solidificação do fundido e o seu arrefecimento até à temperatura ambiente. Estes eventos influenciam muito o tamanho, forma e
uniformidade dos grãos formados durante a solidificação que influenciam as suas propriedades gerais. Os fatores significantes que afectam estes eventos são o tipo de metal, as propriedades térmicas do metal e do molde, as relações geométricas entre o volume e a área de superfície do fundido e a forma do molde. Como exemplo considera-se um metal puro que tem um ponto de fusão e solidificação bem definidos. O alumínio puro solidifica aproximadamente a 600ºC, o ferro a 1537ºC e o tungsténio a 3410ºC. Quando a solidificação acaba o arrefecimento começa. O metal solidificado, que agora se dá pelo nome de fundido, é retirado do molde e arrefecido até à temperatura ambiente [2].
20 - Estrutura de grão Nas paredes do molde, o metal arrefece rapidamente devido a estas
estarem à temperatura ambiente. O arrefecimento rápido produz um pele sólida, e grãos equiaxiais. Os grãos crescem na direção oposta onde se dá a transferência de calor do molde para o exterior . Estes grãos que têm orientação favorável crescem preferencialmente e são denominados grãos
colunares. À medida que a transferência de calor diminui nas paredes do molde, os grãos começam a ficar equiaxiais e grosseiros. O desenvolvimento dos grãos é conhecido como nucleação homogénea, que significa que os grãos (cristais) crescem em cima de outros, começando pelas paredes do molde [2].
Fig. 18 – Estrutura do grão de um metal puro de fundição.
21- Contrações
Devido à suas características de expansão térmica, os metais contraem durante a solidificação e arrefecimento. As contracções causam modificações dimensionais e por vezes ruptura, como resultado de:
Contracção do molde de metal que arrefece antes da solidificação;
Contracção do metal durante a mudança da fase líquida para sólida;
Contracção do metal solidificado (fundido) quando a temperatura
baixa para a temperatura ambiente. A maior contracção ocorre durante o arrefecimento do fundido.
22- Desmoldagem •
Após resfriado e solidificado o material fundido, é executada a retirada da peça do molde. (Areia dos machos e da peça, esta pode ser reaproveitada em outros moldes de fundição, desde que não tenha sido contaminada por nenhum elemento que venha a causar alguma reação.
•
Erro comum nas fundições é a contaminação de determinados materiais em sua superfície por outros que ficaram dispersos na areia.
23 - Limpeza, rebarbagem Depois do fundido ser removido do molde, várias operações de limpeza, acabamento e inspecção podem ser necessárias de serem realizadas.
O material externo que está encostado onde o metal entrou na cavidade, excessos na linha de apartação e material do molde que está nas faces do fundido tem de ser todo removido. Devido aos moldes serem em resina e metálicos é necessário fazer um acabamento das peças em máquinas de controlo numérico (CNC’s) [2].
24 - Defeitos de fundição Os vários defeitos podem ocorrer no processo de produção , dependendo dos fatores tais como os materiais, desenho das peças, e
técnicas de processamento. Enquanto alguns defeitos afetam só a
aparência das peças, outros podem afetar muito a integridade estrutural das peças finais. Alguns Defeitos dos Produtos Fundidos • Inclusão da areia do molde nas paredes internas ou externas da peça. Isso causa problemas de usinagem: os grãos de areia são abrasivos e, por isso, estragam a ferramenta. Além disso, causam defeitos na superfície da peça usinada; • Defeitos de composição da liga metálica que causam o aparecimento de partículas duras indesejáveis no material. Isso também causa desgaste da ferramenta de usinagem; • Rechupe, ou seja, falta de material devido ao processo de solidificação, causado por projeto de massalote mal feito; • Porosidade que se origina quando os gases que existem dentro do metal líquido não são eliminados durante o processo de vazamento e solidificação. Isso causa fragilidade e defeitos superficiais na peça usinada. Vários defeitos podem-se desenvolver em fundição (figuras 19 e 20 ).
Fig. 19 – Defeitos de fundição.
Fig. 20 – Defeitos de fundição.
Podemos denominar os defeitos da seguinte maneira:
Projeções metálicas;
Salpicos;
Inclusões;
Cavidades, consistindo em cavidades internas ou externas redondas
e rugosas, incluindo furos e cavidades contraídas.
Descontinuidades, tais como fendas, rupturas a frio ou a quente,
devido aos rápidos arrefecimentos. Se a solidificação do metal não contrai livremente podem ocorrer fendas ou rupturas . Embora muitos fatores estão envolvidos na ruptura, o tamanho de grão grosseiro e a
presença de segregações de baixa fusão ao longo das fronteiras de grão (intergranular) aumentam a tendência de ruptura a quente . Os vazamento incompletos resultam do metal fundido estar muito baixa temperatura ou de um mau vazamento.
Faces defeituosas, tais como pregas, dobras, abas, rugosidade, areia
aderente, e oxidação.
24 - Porosidade A porosidade na fundição por ser causada por contrações ou gases . Este defeito é prejudicial à ductilidade do fundido e ao acabamento
superficial. As regiões porosas podem desenvolver-se em vazamentos devido às
contrações do metal solidificado . As secções finas do fundido solidificam mais rápido do que as regiões mais grossas . Como resultado, o metal
fundido não pode ser fornecido às regiões mais grossas que ainda não estão solidificadas.
Devido às contrações, as superfícies da região mais grossa começa a solidificar, e as regiões porosas desenvolvem-se nos seus centros. As microporosidades podem também desenvolver-se quando o metal líquido solidifica e encolhe entre as dendritas e entre as ramificações das dendritas [9].
25 – Controle de qualidade 25. 1 - Controle de Qualidade de peças fundidas: A inspeção de peças fundidas - como de peças produzidas por qualquer outro processo metalúrgico - tem dois objetivos: •
Rejeitar as peças defeituosas;
Preservar a qualidade das matérias-primas utilizadas na fundição e a sua mão-de-obra
25.2 - O controle de qualidade é feito da seguinte maneira:
Controlo metalúrgico, das areias e da composição química; Máquina CNC tridimensional e máquina de layout 3D; Espectómetro de emissão óptica; Máquinas de ensaios mecânicos; Durómetros (análise de dureza Brinnel); Microscópio metalográfico.
Fig. 21- Controle de dureza Exercícios
Fig.22 Microscópio metalográfico Fig. 23- Espectómetro emissão
