Processamento e Manufatura de Metais 1 Prof Dr

Processamento e Manufatura de Metais 1 Prof. Dr. Lucas Freitas Berti Engenharia de Materiais - UTFPR lenberti@gmail. com 1

Aula 8 29/05/2013 Fundição

Presença Cobrança da presença Processamento e Manufatura de Metais 1 3

§ Ementa § Siderurgia: ▫ ▫ Minérios metálicos. Processos de extração e refino. Processos siderúrgicos. Nucleação e solidificação dos metais. § Processos de fundição. ▫ Fornos de fundição. ▫ Defeitos de fundição. ▫ Técnicas de acabamento. Metais ferrosos e suas ligas. Metais nãoferrosos e suas ligas. Processamento e obtenção de metais não-ferrosos. § Soldagem e junção de materiais metálicos; ▫ ▫ brasagem; soldagem por resistência; metalurgia da soldagem; dificuldades e defeitos na soldagem. Processamento e Manufatura de Metais 1 4

§ Ementa § Siderurgia: ▫ ▫ Minérios metálicos. Processos de extração e refino. Processos siderúrgicos. Nucleação e solidificação dos metais. § Processos de fundição. ▫ Fornos de fundição. ▫ Defeitos de fundição. ▫ Técnicas de acabamento. Metais ferrosos e suas ligas. Metais nãoferrosos e suas ligas. Processamento e obtenção de metais não-ferrosos. § Soldagem e junção de materiais metálicos; ▫ ▫ brasagem; soldagem por resistência; metalurgia da soldagem; dificuldades e defeitos na soldagem. Processamento e Manufatura de Metais 1 5

§ Ementa § Processos de fundição. ▫ Fornos de fundição. ▫ Defeitos de fundição. ▫ Técnicas de acabamento. Metais ferrosos e suas ligas. Metais nãoferrosos e suas ligas. Processamento e obtenção de metais não-ferrosos. Processamento e Manufatura de Metais 1 6

Fundição § Processos de moldes perdidos e modelos permanentes § Processos de moldes e modelos perdidos § Processos de moldes e modelos permanentes Processamento e Manufatura de Metais 1 7

Fundição § Processos de moldes perdidos e modelos permanentes ▫ Processos de fundição com moldes em areia Em areia verde Em areia seca Com CO 2/Silicato Em “Shell-moulding” De Caixa-fria De Selagem por vácuo ▫ Processos de fundição com moldes em agregado refratário Com cerâmica Com gesso Processamento e Manufatura de Metais 1 8

Fundição § Processos de moldes e modelos perdidos ▫ Processos de fundição com moldes em areia Com modelo evaporável ▫ Processos de fundição com moldes em agregado refratário Com modelo perdido Processamento e Manufatura de Metais 1 9

Fundição § Processos de moldes e modelos permanentes ▫ Processos de fundição em moldes metálicos Por gravidade em moldes metálicos Sob pressão em moldes metálicos Sob baixa pressão em moldes metálicos ▫ ▫ Processo de vazamento por centrifugação Processo de vazamento em moldes com pressão mecânica Processo de vazamento contínuo em moldes Processamento e Manufatura de Metais 1 10

§ Fundição CARACTERÍSTICAS § Peças fundidas são obtidas deixando-se solidificar um metal líquido vazado em um molde cuja forma corresponde ao negativo da peça a ser obtida. § Permite obter, de modo econômico, peças de geometria complexa (liberdade de forma). Processamento e Manufatura de Metais 1 11

§ Fundição CARACTERÍSTICAS § A Fundição é realizada em metais cujo ponto de fusão não é demasiadamente elevado e o mesmo possua boa fluidez § Ligas mais comuns na fundição ▫ Ferro Fundido, Alumínio, Cobre, Zinco, Magnésio e suas respectivas ligas Processamento e Manufatura de Metais 1 12

§ Fundição POTENCIALIDADES § Vantagem econômica ▫ Caminho mais curto entre matéria-prima e peça acabada § Flexibilidade quanto à dimensões e peso ▫ De algumas gramas até toneladas § Moldagem de formas complexas ▫ Liberdade de formas (líquido se molda com facilidade) § Economia de peso ▫ Pode-se moldar uma peça com a espessura final desejada § Produção em série ▫ Fácil automação § Economia de usinagem ▫ Bom acabamento superficial e boas tolerâncias dimensionais Processamento e Manufatura de Metais 1 13

§ Fundição Possíveis rotas da fabricação utilizando a Fundição Metais/ ligas Fundição Forma final Forma semifinal Processam ento Processamento e Manufatura de Metais 1 Forma final 14

§ Fundição HISTÓRICO § 60 Séculos de empirismo x 5 décadas de ciência Processamento e Manufatura de Metais 1 15

§ Fundição HISTÓRICO § 60 Séculos de empirismo x 5 décadas de ciência Processamento e Manufatura de Metais 1 16

§ Fundição HISTÓRICO § 60 Séculos de empirismo x 5 décadas de ciência Processamento e Manufatura de Metais 1 17

§ Fundição HISTÓRICO § 60 Séculos de empirismo x 5 décadas de ciência ▫ O atraso na exploração de materiais fundidos está provavelmente relacionado à completa ignorância da natureza do fenômeno de solidificação e das microestruturas produzidas ▫ Sem conhecimento da solidificação a fundição era vista mais como “magia negra” do que como ciência Processamento e Manufatura de Metais 1 18

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Salvo raríssimas exceções todos os produtos metálicos passam necessariamente pela solidificação em algum estágio de sua obtenção. § É na fundição de metais que a solidificação encontra seu mais vasto campo de aplicação Processamento e Manufatura de Metais 1 19

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Na fundição, a solidificação do metal ocorre, geralmente, em poucos segundos. § É um tempo muito breve no processo produtivo de uma peça, mas é o “coração” do processo. § Se estes poucos segundos de solidificação não forem bem controlados eventuais defeitos de fabricação podem surgir inviabilizando a utilização da peça produzida Processamento e Manufatura de Metais 1 20

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Um material metálico ao passar do estado líquido para o estado sólido (e vice-versa) sofre uma drástica mudança de viscosidade § Ao se fundir os materiais metálicos têm sua viscosidade aumentada em aproximadamente 100. 000 x (cem quinqualhões de vezes) Processamento e Manufatura de Metais 1 21

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Na solidificação de um metal tem-se a formação de, geralmente, vários núcleos cristalinos envolvidos em um líquido que possui natureza amorfa. Processamento e Manufatura de Metais 1 22

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO T (ºC) Subresfriamento Tf ΔT Liq. Líquido atomicamente desordenado (amorfo) Liquido + Sólido Núcleo atomicamente ordenado (cristal) Processamento e Manufatura de Metais 1 23

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Nucleação Homogênea – o núcleo sólido “nasce” totalmente a partir do líquido § Nucleação Heterogênea – o núcleo sólido “nasce” em contato com uma superfície sólida Processamento e Manufatura de Metais 1 24

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Nucleação homogênea ▫ Na nucleação homogênea é necessário um subresfriamento térmico para se estabilizar um ou mais núcleos e então a partir dele(s) ocorrer a solidificação Processamento e Manufatura de Metais 1 25

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Subresfriamento necessário homogênea de alguns materiais para nucleação Material Pb Ag Cu Ni Fe H 2 O Temp. de Fusão (o. C) 327 962 1085 1453 1536 0 Subresfriamento (o. C) 80 250 236 480 420 40 Processamento e Manufatura de Metais 1 26

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Crescimento da fase sólida – Uniforme Sólido Processamento e Manufatura de Metais 1 27

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Crescimento da fase sólida – Colunar Sólido Processamento e Manufatura de Metais 1 28

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Crescimento da fase sólida – Dendrítico Sólido Processamento e Manufatura de Metais 1 Dendritas 29

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Crescimento da fase sólida metal puro Sólido + líquido Processamento e Manufatura de Metais 1 100% sólido 30

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Fonte: G. F Van der Voort. Microstructre of nonferrous alloys (2002) Aluminio super-puro Revela microestrutura de grãos alfa equiaxiais Processamento e Manufatura de Metais 1 31

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Fonte: G. F Van der Voort. Microstructre of nonferrous alloys (2002) Liga de alumínio 1100 (>99%Al) Revela microestrutura de solidificação dendrítica Processamento e Manufatura de Metais 1 32

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Crescimento da fase sólida ligas Fonte: G. F Van der Voort. Microstructre of nonferrous alloys (2002) Liga de alumínio 3105 (Al – 0. 55% Mn – 0. 5% Mg) Revela precipitados intermetálicos formados no estágio final da fusão 33 Processamento e Manufatura de Metais 1

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Crescimento da fase sólida ligas Fonte: G. F Van der Voort. Microstructre of nonferrous alloys (2002) Liga de alumínio hipoeutética (Al – 11. 8% Si) Dendritas alfa e um eutético alfa-Si. Processamento e Manufatura de Metais 1 34

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Após a formação da região Devido fortea subresfriamento Atingindo-se temperatura de Após a ao formação da regiãosede coquilhada o material formam-se vários núcleos solidificação, tem-se grãos colunares material se solidifica sob ao ação deoum heterogêneos emde contato com a surgimento núcleos Material metálico no solidifica formando grãos pequeno subresfriamento superfície do molde gerando nas paredes do molde estado líquido a uma grandes equiaxiais crescendo segundo a direção grãos pequenos ede equiaxiais Nucleação heterogênea temperatura acima da da extração calor temperatura de solidificação Nucleação heterogênea Grãos equiaxiais Núcleos Grãos coquilhados Grãos colunares Processamento e Manufatura de Metais 1 35

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação Processamento e Manufatura de Metais 1 36

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação Região Coquilhada Grãos colunares Grãos Equiaxiais Processamento e Manufatura de Metais 1 37

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação Pode-se obter macroestruturas diversas fazendo-se o controle adequado do processo Processamento e Manufatura de Metais 1 38

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação ▫ Para a grande maioria das aplicações dos metais busca-se otimizar as propriedades mecânicas e tecnológicas através de uma microestrutura de grãos refinados. Processamento e Manufatura de Metais 1 39

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação ▫ Na fundição isto pode ser obtido através do controle das variáveis de processo que propiciem um máximo subresfriamento (uso de moldes metálicos, resfriadores, etc. ). ▫ O máximo de eficácia é atingindo usando-se INOCULANTES Processamento e Manufatura de Metais 1 40

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação ▫ Inoculante é um pó geralmente fino de um material covenientemente escolhido (dependendo da liga a ser fundida) depositado no estado sólido no metal ainda líquido fornecendo superfície para a nucleação heterogênea Processamento e Manufatura de Metais 1 41

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação ▫ Favorece o surgimento de maior número de núcleos. Dependendo de sua dispersão, reduz o efeito da formação de macroestrutura de fundição Processamento e Manufatura de Metais 1 42

§ Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO § Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação ▫ Utilizando inoculantes aço ferrítico (Fe-Si) sem com Processamento e Manufatura de Metais 1 43

§ Fundição PROCESSO DE FUNDIÇÃO § Etapas genéricas ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ Fabricação dos modelos Fabricação dos moldes Fabricação dos machos (macharia) Obtenção do metal líquido (fusão) Enchimento do molde com metal líquido (vazamento) Retirada da peça do molde (desmoldagem) Corte de canais e rebarbas (rebarbação e limpeza) Inspeção Tratamentos Térmicos Processamento e Manufatura de Metais 1 44

§ Fundição PROCESSO DE FUNDIÇÃO Metais e aditivos Matéria-prima modelo Forno de Fusão Fabricação do Modelo Montagem do Molde Metal líquido Vazamento Fabricação do molde Fabricação do machos Areia e aditivos Processamento e Manufatura de Metais 1 Inspeção Rebarbação e limpeza Desmoldagem Resfriamento Areia reaproveitada 45

§ Fundição PROCESSO DE FUNDIÇÃO § Fabricação dos modelos ▫ Consiste em construir modelos com o formato da peça a ser fundida ▫ O modelo é importante, pois a partir dele faz-se a construção do molde. Suas dimensões devem prever a contração do metal durante o processo e sobremetal para posterior usinagem ▫ O modelo pode ser construído de madeira, plásticos, metais leves, gesso, cera, isopor, entre outros Processamento e Manufatura de Metais 1 46

§ Fundição PROCESSO DE FUNDIÇÃO § Fabricação dos modelos Processamento e Manufatura de Metais 1 47

§ Fundição PROCESSO DE FUNDIÇÃO § Fabricação dos modelos Modelo de uma biela Processamento e Manufatura de Metais 1 48

§ Fundição PROCESSO DE FUNDIÇÃO § Fabricação dos moldes Processamento e Manufatura de Metais 1 49

§ Fundição PROCESSO DE FUNDIÇÃO § Fabricação dos moldes Existem vários tipos de moldes. Por exemplo: molde em areia. . . Processamento e Manufatura de Metais 1 50

§ Fundição PROCESSO DE FUNDIÇÃO § Fabricação dos moldes Os Machos formam a cavidade interna da peça fundida Macho Processamento e Manufatura de Metais 1 51

§ Fundição PROCESSO DE FUNDIÇÃO § Fabricação dos moldes Processamento e Manufatura de Metais 1 52

§ Fundição PROCESSO DE FUNDIÇÃO § Obtenção do metal líquido (fusão) ▫ A fusão do metal pode ser obtida de várias maneiras, sendo as principais: Forno Cubilô Forno a indução Forno a arco voltaico Processamento e Manufatura de Metais 1 53

§ Fundição PROCESSO DE FUNDIÇÃO § Obtenção do metal líquido (fusão) Processamento e Manufatura de Metais 1 54

§ Fundição PROCESSO DE FUNDIÇÃO § Enchimento do molde (vazamento) Processamento e Manufatura de Metais 1 55

§ Fundição PROCESSO DE FUNDIÇÃO § Retirada da peça (desmoldagem) corte e limpeza Desmoldagem Limpeza (jateamento) Processamento e Manufatura de Metais 1 56

§ Fundição PROCESSO DE FUNDIÇÃO § Inspeção Raios X Partículas Magnéticas Se faz uso geralmente de ensaios não destrutivos Processamento e Manufatura de Metais 1 57

§ Próxima aula PROCESSO DE FUNDIÇÃO § Principais tipos ▫ ▫ ▫ ▫ ▫ Fundição em areia Fundição em casca (shell molding) Fundição em cera perdida Fundição em moldes permanentes Fundição em molde cheio Fundição centrífuga Fundição e forjamento Fundição a vácuo Fundição melt-spinning Fundição contínua Processamento e Manufatura de Metais 1 Principal diferença entre eles é em como os moldes são obtidos 58