4916 GITAGEM E ALIMENTAÇÃO FUNDAMENTOS BÁSICOS
Diversas etapas da Fundição
Antes da fusão do material, é necessária a preparação do molde. molde. O molde recebe o metal liquido que irá solidificar obtendo-se desta forma a peça correspondente ao modelo que serviu de base para a sua formação. Os processos mais utilizados ainda para a confecção dos moldes convencionais são em areia de fundição ou terras especiais.
Estes materiais são refractários e abundantes na natureza, os mais usados são a areia, gesso, cimento e outras substâncias cerâmicas. Após fundido e retirado do molde, a areia (componente) ( componente) adquire a coloração do material de que é formado. Quando misturados com água, argila (em alguns casos), e um aglutinante, os moldes adquirem uma coesão uniforme e maleabilidade, sem perder a permeabilidade que permite evacuar os gases no momento da injecção, ou do escoamento.
Os materiais usados na fabricação de moldes podem ser recuperáveis ou perecíveis metálicos.
Os quatro componentes que representam etapas do processo de fundição
O m od elo dev e s er lig eiram ente m aior q ue a peça o rig inal, já qu e se dev e levar em co n ta a co n tracção trid im ens io nal d esta q u an d o d a s o li d if ic ação .
Existem normas que devem ser seguidas conforme os metais ou ligas a serem fundidas, estas são disponíveis em tabelas ou ábacos.
As superfícies do molde devem respeitar
ângulos
mínimos
em
relação ao modelo, com o objectivo
de não danificar os formatos tomados pela areia durante a extracção da peça que serve como modelo. Este ângulo é denominado ângulo de saída. Devem ser in cl u ído s n o m old e c an ai s d e al i m en t ação e resp re sp iro para o vazamento vaz amento de excessos de m aterial aterial fun f un did o e para a s aíd a d o ar .
Se necessário, devem ser incluídos prensos, prensos, que são prolongamentos que servem para a colocação do macho, pois a forma muitas vezes consiste em duas peças, um macho e uma fêmea, ou duas metades, estando no centro a parte oca que servirá de negativo para ser preenchida pelo material liquefeito. A função dos prensos é prender uma peça à outra.
Fabricação do modelo Para a confecção do modelo para imprimir na forma de areia o formato da peça a ser fundida, geralmente é utilizada madeira, plásticos como o poliuretano, metais como o alumínio ou o ferro fundido. Muitas vezes, u ti li za-se a p róp ri a p eça c o m o m o d elo , p o ré m e s ta p a ss a p o r u m pr o c e ss o d e a u m e nt o t ri d i m en s i o na l , geralm ente c om a aplic ação de d iv ersas cam adas de ti nt a ou resin a, po r exem pl o p ara co m pen sar o efeito d a co n tracção da peça fun di d a após após o seu arr efecim ento .
Bipartição do modelo Geralmente, fabricam-se dois semi-modelos correspondentes a cada uma das partes do modelo principal que é necessário fabricar.
Em função da geometria da peça, são construidos moldes m a c h o machos. Em e f êm e a , os semi-modelos porém são considerados machos. algumas regiões a forma de fundição é chamada de caixa de m a c h o s , nomenclatura também adoptada pelas normas técnicas.
Devido ao processo de utilização de dois semi-modelos (ou duas metades) para imprimir as duas cavidades da forma, notamos em algumas peças depois de prontas uma espécie de marca (no plano de apartação) separando-a em duas metades, esta é a impressão dos moldes.
Compactação da areia em redor do modelo
Para a compactação da areia em redor do modelo, cada semi modelo é colocado sobre uma tábua por exemplo, esta em seguida é cercada por quatro tábuas para formar uma caixa. caixa .
A caixa contendo a peça molde é preenchida com areia de fundição. Em seguida é feita a compactação em cada forma e viradas 180 graus.
São retirados os moldes, e são feitos os canais de respiro (ou vazamento). Após este processo são montadas as duas metades, metades, ou seja, os dois blocos formando uma peça em cujo in terio r es táo n egat iv o (cavidade) a ser preenchida pelo metal em fusão. As areias de fundição actualmente são sintéticas, não no sentido químico, mas porque são uma mistura de vários tipos de areias, ligantes argilosos e outros aditivos.
O componente crítico da areia refractária é o cristal de quartzo, um material de toxicidade conhecida. O componente desagregado mais perigoso é a farinha de sílica ou areia de facejamento, que é colocada sobre o molde, para se obter um bom acabamento superficial. Na produção em massa o molde é executado numa máquina de moldagem.
Este equipamento é projectado para compactar a areia firmemente na caixa de moldagem, minimizando desta forma o esforço físico do moldador e melhorando a qualidade do molde.
Fab r ic ação d o M ac h o O m ach o éum elemen to r efractário co lo cad o n o m old e para definir u m a cavidade ou espaço vazio vaz io no fun dido final .
Uma vez que o material irá fluir em volta do macho ele tem de ser mecanicamente resistente durante o vazamento e ainda tornar-se quebradiço após o vazamento e o arrefecimento, permitindo assim, uma fácil remoção da peça fundida do molde, ou seja, a desmoldagem.
A areia para a fabricação do macho é preparada num misturador através da mistura de areia de sílica com um ligante orgânico tal como o óleo de linhaça e amido. A areia preparada é colocada numa caixa de macho determinando a forma do mesmo, após o macho é retirado e vai par uma estufa para se conseguir uma forma refractária enrijecida.
Colocação do macho Se a peça que se quer fabricar é oca, será necessário dispor de machos que evitem que o metal fundido se propague pelas cavidades.
Geralmente os machos são fabricados com areias mais finas e misturadas com materiais que proporcionam uma compactação maior (Existem algumas argilas específicas para isso).
Esta técnica permite uma manipulação manual na inserção destes na cavidade do molde.
Um exemplo do uso deste tipo de macho é os blocos de motores, em que existe a necessidade de preservar os condutos de lubrificação e de passagem de água para arrefecimento. Uma vez montado o macho dentro das cavidades, formadas pelo modelo primário, as duas metades do molde de fundição serão juntadas para receberem o material sob fusão.
Drenos Quando o material fundido preenche as cavidades, é necessário que haja uma pequena sobra deste para expulsar o ar e possíveis contaminações. São executados no fabrico dos moldes de fundição alguns canais de vazamento para possibilitar a drenagem do material.
Arrefecimento e solidificação Esta é a etapa mais crítica de todo o processo, já que um arrefecimento excessivamente rápido pode provocar tensões mecânicas na peça, inclusive com aparecimento de fissuras, e a formação de bolhas.
Se houver um arrefecimento muito lento ocorrerá ocorr erá a diminuição da produtividade.
Estes eventos influenciam bastante o tamanho, forma, uniformidade e composição química dos grãos formados na peça fundida, que por sua vez influênciam as suas propriedades globais. Os factores mais importantes afectam são: o tipo do metal, as propriedades térmicas do metal e do molde, a relação geométrica entre o volume e área da superfície da fundição e a forma do molde.
Desmoldagem Após arrefecido e solidificado o material fundido, é executada a retirada da peça do molde.
Ao fazê-lo deve-se tomar o cuidado de retirar a areia dos machos.
Retirada a areia dos machos e da peça, esta pode ser reaproveitada em outros moldes de fundição indefinidamente, desde que não tenha sido contaminada por nenhum elemento que venha a causar alguma reacção.
Erro comum nas fundições é a contaminação de determinados materiais superficialmente por outros que ficaram dispersos na areia, causando por vezes certas contaminações superficiais indesejáveis.
Rebarbagem Após retirada do molde de fundição a peça possui diversas rebarbas ocasionadas pelo vazamento através dos canais de respiraçãp, alimentação e dreno, além da marca da emenda das caixas de macho que deixa às vezes alguma rebarba. Quando ocorre este efeito, é necessária uma limpeza da peça através do rebarbamento, este processo consiste na retirada das sobras e rebarbas por esmeris, ou por lixadeiras.
Estas máquinas possuem ferramentas ou materiais abrasivos cuja finalidade é limpar ou retirar as rebarbas.
Acabamento e limpeza Depois do processo de retirada das rebarbas, ainda existem imperfeições e areia nas saliências e reentrâncias das peças, normalmente faz-se uma limpeza através de escovas de aço manuais ou rotativas, além da utilização de lixas, ou jactos de água, se for o caso.
Tratamento térmico Depois de rebarbadas, as peças podem necessitar algum tipo de tratamento térmico para rearranjo de sua estrutura interna. Esta é executada em fornos para aliviar tensões internas recozimento de normalização.
Maquinagem Peças mecânicas dificilmente ficam prontas e acabadas após a sua limpeza, necessitam serem maquinadas e trabalhadas por máquinas ferramentas.
Somente componentes que não necessitam precisão absoluta em suas dimensões, não precisam ser torneados, torneados, rectificados, maquinados.
Tratamentos térmicos Alguns tipos de ferros fundidos, podem ser submetidos há tratamentos localizados de superfície, tal como; têmpera de borda nas ferramentas de corte e superfícies que sofrerão severos atritos, este procedimento é aplicado para prolongar a vida útil dos fundidos, para Com este procedimento aumenta-se a dureza das peças
Rectificação
Depois do tratamento térmico, algumas peças podem necessitar um aumento de precisão nas suas dimensões. Muitas vezes utiliza-se o processo de rectificação executado por máquinas ferramentas chamadas rectificadoras. Os processos de acabamento descritos acima variam de peça para peça, podendo ser utilizados em maior ou menor grau, dependendo do tipo de peça, ao sair da fundição já está pronta e acabada.
Processos Existem diversos processos de fundição. Estes consistem na fusão da matéria-prima a ser moldada geralmente em "cadinhos" . Cadinhos são reservatórios fabricados em material refractário onde a matéria-prima é derretida e drenada ou derramada posteriormente para as formas, ou moldes de fundição.
M o ld es d e f u n d i ção
Existem diversos tipos de moldes de fundição. Alguns em areia, outros em gesso ou materiais refractários diversos, existem ainda moldes
cerâmicos
e
metálicos,
mecanizados, manuais, etc.
descartáveis,
recicláveis,
Mold e em em areia are ia verde
Consiste na elaboração do molde com areia húmida modelada pelo formato do modelo da peça a ser fundida. É o método mais utilizado na actualidade, serve para todos os metais. É especialmente apropriado para peças de tamanho pequeno e médio. Não é adequado para peças grandes, de geometria complexas, nem para acabamentos finos, pois ficam as marcas da areia, arei a, e sua tolerância dimensional é reduzida.
Mold e em em areia are ia seca
Este tipo de molde é realizado a altas temperaturas (entre 200 e 300°C). Este método utilizado para aumentar a resistência mecânica e a rigidez da forma de fundição. Este processo permite a modelação de peças de grandes dimensões e geometrias complexas. A precisão dimensional é boa e o acabamento superficial é bom. Mold e m ecânic ecânic o
Actualmente, ao invés da conformação em areia de forma convencional por compactação manual, usa-se um tipo molde
mais compactado chamado de molde mecânico. mecânico. Trata-se de um sistema desenvolvido para que o material de conformação do molde seja comprimido através de equipamento pneumático ou hidráulico cujas cavidades mecânicas (negativo) ou formas recebam o metal com maior tamanho densidade ou pressão, de forma a suportar os esforços sem que ocorram desmoronamentos durante o preenchimento. Este sistema foi desenvolvido para resolver as deficiências da utilização dos moldes em areia verde, verde, menos resistente.
Mo d elo de c era des cart ável em m ol des p ara m icr o fu são
Os sistemas de fundição que utilizam modelos de cera descartável, normalmente são utilizados para modelagens delicadas das peças que precisam de acabamento fino. Estes processos são chamados também de micro fusão. fusão. Consiste num modelo de cera ou plástico de baixo ponto de fusão. Em seguida a peça em cera ou plástico é inserida no material que a recobrirá, formando assim o molde preenchido com o modelo. 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 recoberto
por outro de granulação maior com a finalidade de proporcionar rigidez mecânica ao conjunto que terá a cavidade cavi dade preenchida com o material liquefeito. Um detalhe importante deste sistema de confecção do molde, é que uma vez completa, o modelo não é retirado de seu interior, ele é derretido. derretido. O modelo em cera é pré aquecido portanto derreterá e escorrerá para fora do molde, ficando desta forma a cavidade pronta para receber o material fundido. A principal vantagem deste sistema é a ausência de machos e de superfícies de junta, ficando a peça com acabamento fino e precisando de pouca maquinagem principal.
M o ld e c o q u i lh a
Actualmente, ao invés 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 em cavidades mecânicas (negativo) ou formas de metal maciço não aderente à liga fundida.
F u n d i ção p o r i n j e c ção
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 modernos como electroerosão, por laser, entre outros, que dão excelente acabamento, possibilitando menos maquinagem nas peças.
Mo ld e Met áli c o
Os processos que empregam moldes metálicos são: Fundição em Molde Permanente; Fundição sob pressão. Moldes Permanentes A aplicação mais conhecida conhecida é a da fundição de "lingotes", "lingotes", ou seja, peças de forma regular, cilindrica ou prismática, que irão sofrer posteriormente processamento mecânico.
Os moldes nesse caso, serão chamados de "lingoteiras". Fundição sob pressão Consiste em forçar o metal líquido sob pressão, a penetrar na cavidade do molde, chamada matriz.
Esta é metálica, portanto de natureza permanente e, assim pode ser usada inúmeras vezes.
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. 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.
O metal é bombeado na cavidade da matriz e a sua quantidade deve ser tal que, não só preencha inteiramente esta cavidade, como também os canais localizados em determinados pontos para evacuação do ar. Esses canais garantem o preenchimento completo das cavidades da matriz. Assim, simultaneamente, produz-se produz- se alguma rebarba. Enquanto o metal solidifica, é mantida a pressão durante um certo tempo, até que a solidificação se complete.
A seguir, a matriz é aberta e a peça é expelida. Procede-se, então, então, a limpeza da matriz e a sua lubrificação. Fecha-se novamente e o ciclo é repetido.
Fu n d i ção p o r c en t r i f u g ação
O processo consiste em vazar-se 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. solidific a.
Um dos exemplos mais conhecidos de utilização do processo, corresponde a fabricação de tubos de ferro fundido para linhas do fornecimento de água.
A máquina utilizada, 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.
Fu n d i ção d e P r ec i s ão
Os processos de fundição por precisão utiliza um molde obtido pelo revestimento de um modelo consumível com uma pasta ou argamassa refractária que endurece à temperatura ambiente ou mediante a um adequado aquecimento.
Uma vez que essa pasta refractária 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.
Vazado o metal líquido no interior do molde, e solidificada a peça correspondente, o molde é igualmente inutilizado.
F u n d i ção C o n t ín u a
Neste processo, as peças fundidas são longas, com secções quadrada, rectangular, hexagonal ou de formatos diversos.
Em outras palavras, o processo funde barras de grande comprimento com as secções mencionadas, as quais serão posteriormente processadas por maquinagem ou pelos métodos de conformação mecânica no estado sólido.
Em princípio, o processo consiste em vazar- se o metal líquido num cadinho aquecido. O metal líquido escoa através de matrizes de grafite ou cobre, arrefecidos na água.
Controle de Qualidade de peças fundidas
A inspecção de peças fundidas - como de peças produzidas por qualquer outro processo metalúrgico - tem dois objectivos: Rejeitar as peças defeituosas;
Preservar a qualidade das matérias-primas utilizadas na fundição e a sua mão-de-obra. O controle de qualidade compreende as seguintes etapas:
INSPEÇÃO VISUAL: VISUAL : usada para detectar defeitos visíveis, resultantes das operações de moldagem, confecção e colocação dos machos, de vazamento e limpeza;
INSPEÇÃO DIMENSIONAL: DIMENSIONAL : é realizada geralmente em pequenos lotes produzidos, antes que toda a série de peças seja fundida;
INSPEÇÃO METALÚRGICA: METALÚRGICA : inclui análise química; exame mecanográfico, para observação de microestrutura do material; ensaios mecânicos, para determinação de suas propriedades mecânicas; ensaios não-destrutivos, para verificar se os fundidos são totalmente 'perfeitos'.
Muitas vezes, uma inspecção, para ser completa, com pleta, exige testes de uma montagem, onde são incluídas as peças fundidas, e onde simulam ou duplicam as condições esperadas em serviço.
Sistema de Enchimento Características desejáveis para o Sistema de Enchimento: •
Deve garantir o enchimento completo da Moldação, no menor
tempo possível e sem necessidade de sobreaquecimento excessivo do metal fundido;
•
Permitir o enchimento sem que ocorra erosão da Moldação e dos Machos;
•
Impedir a formação de películas soltas de óxidos e a passagem destas para a peça;
•
Impedir o arrastamento ou aspiração de ar para o interior da Moldação;
•
Criar condições favoráveis ao arrefecimento e Alimentação da peça;
•
Ser económico, tanto no que refere ao consumo de metal, como à facilidade de moldação.
Para cumprir estes requisitos, durante projecto do sistema de enchimento, deve ter-se em atenção ao Traçado do sistema O objectivo principal do Sistema de Enchimento é o de permitir a distribuição do metal líquido na Moldação
Traçado dos elementos do sistema de enchimento Traçado dos elementos do sistema de enchimento verticais
Canais de Distribuição e Ataques
Máquinas de moldação automática com plano de apartação vertical
Peças altas com vários planos de apartação horizontais
Moldação em carapaça ou por cera perdida
Bacia de vazamento
Elementos
filtrantes
–
Elementos
introduzidos
no
Sistema de Enchimento de forma a reter as impurezas filtro
antes
de
estas
serem
arrastadas para o interior da Moldação.
Tipos de impurezas: •
•
Produtos da oxidação do metal fundido; Partículas refractárias provenientes do Forno ou da Colher
de Vazamento;
•
Partículas refractárias arrastadas da Moldação ou dos
Machos;
•
Compostos resultantes das operações metalúrgicas;
Gito de Descida e Base do Gito
Fases de Enchimento
Limitar a turbulência:
•
•
•
Evitar curvas em ângulo vivo Evitar mudanças bruscas de secção Limitar velocidade de escoamento
O regime de escoamento de um fluido incompressível numa conduta impermeável é governado governado pela Lei da Continuidade e pela Lei da Conservação da Energia.
Sistemas de Enchimento superior
Sistemas de Enchimento inferior
Tempo de enchimento da moldação
O tempo de enchimento das Moldações deve estar situado entre dois limites:
O tempo máximo não pode ultrapassar o tempo de início de solidificação do material a vazar, isto é, o tempo necessário para se atingir atin gir a temperatura de liquidus.
O tempo mínimo será aquele que permite manter a velocidade de enchimento em valores óptimos, de forma a evitar a erosão da Moldação e, ao mesmo tempo, evitar
Canais de Distribuição com secções excessivas a que se iriam associar baixos rendimentos da Moldação.
Dimensionamento dos sistemas de gitagem
Avaliação da geometria e distribuição de massa na peça 1.
Escolha da posição da peça na Moldação;
2.
Definição do Plano ou Planos de Apartação;
3.
Desenho provisório do Sistema de Enchimento, o qual inclui a.
b.
Definição do número e localização localiz ação dos Ataques; Número e traçado dos Canais de Distribuição;
4.
Escolha da Relação de Gitagem;
5.
Dimensionamento do sistema:
a.
b.
Cálculo da Secção Mínima; Dimensionamento de todo o sistema, com base na Secção Mínima.
Escolha da Relação de Gitagem
Relação de Gitagem Sg : Sc : Sa Sg –Gito de Descida. Sc –Canal de Distribuição. Sa – Ataques.
Cálculo da Secção Mínima Método directo Sm = Ce√ P - Peso
da peça incluindo Alimentadores
Ce Ce - constante que leva em consideração o tipo de liga e dimensões da peça
Cálculo a partir do tempo de enchimento
1.
Determinação do tempo de enchimento
da Moldação (t (t , em segundos)
2.
Determinação da altura de queda do metal (Hm ( Hm,, em cm)
3.
Determinação do coeficiente de perda de velocidade (Cm ( Cm))
4.
Determinação
da
secção
mínima
de
passagem do metal, também designada por área de choque (Sm, em cm 2)
1.
Cálculo do tempo de d e enchimento - Peças pequenas
2.
Cálculo do tempo de enchimento – Método de Dietert
Vazamento de Ferro Fundido em Moldações em Areia
3.
Cálculo do tempo de enchimento – Método de Tito v et al.
Determinação da altura de queda do metal ( H m = h em cm)
Determinação do coeficiente de perda de velocidade ( C m m )
Determinação da secção mínima ( S m m , em cm2)
( Sm)) situa-se Sistemas Divergentes - a Secção Mínima (Sm no fundo do Gito e é inferior à secção global dos Canais de Distribuição e dos Ataques;
Sistema
Convergentes
- a Secção Mínima (Sm ( Sm))
corresponde aos Ataques, sendo a secção dos Canais de Distribuição e da Base do Gito superior.
Canais de secção constante
Canais
de
secção
decrescente
Pr in c íp io Ge ra l : Reduzir a secção do Canal de Distribuição
depois de cada Ataque. Regras :
A redução a efectuar deverá ser igual à secção do Ataque
-
antecedente. -
Corrigir a secção calculada dos d os Canais de Distribuição e dos
Ataques em mais 5%.
Dimensionamento dos sistemas de gitagem
Material: Ferro Fundido Cinzento Sobreaquecimento: 50 ºC Módulo: 1,5 Peso da peça: 25 Kg
Problemas de aplicação da matéria dada.
1-Pretende-se vazar uma peça em Alumínio como mostrado na
figura. Determine as secções dos canais de gitagem Sc, Sd e Sa? As percas de carga no sistema de gitagem são de K=80%. O tempo máx. admissível de enchimento pode ser obtido pelo gráfico
de
Jeancolas
em
anexo
considerando
sobreaquecimento de 100ºC. A relação de gitagem é 1:2:1. Dados:
um
A= 300 mm ; B= 70 mm ; C= 100 mm ; D= 200 mm ; H=270 mm mm
Resolução
A velocidade de enchimento obtida a partir da equação de Bernoulli é:
Determinação do volume total:
Superfície da peça:
Superfície do alimentador:
Superfície total:
Determinação do modulo de arrefecimento:
Determinação do tempo de arrefecimento até liquidus pelo gráfico de Jeancolas, para uma peça em Alumínio vazado com um
sobreaquecimento de 100ºC: tarref. ÷ 140 segundos Determinação da secção mínima do sistema de gitagem:
Relação de gitagem ZSc : ZSd : ZSa = 1:2:1
Secção do canal de vazamento Secção de cada um dos dois canais de distribuição Secção de cada um dos quatro canais de ataque
Bibliografia
W. Kurz & D. J. Fisher, Fundamentals of Solidification, Trans Tech Publications, 1992 Fundição, Secção de Textos da FCTUC (sebenta). Casting, Metals Handbook, Vol. 5, American Society for Metals, Metals Park, OH. R. Flinn, Fundamentals of Metal Casting, Addison-Wesley Publishing Company Inc., 1963.
