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1 Niterói 2019 EDSON DE SOUZA MORAIS ESTUDO SOBRE O PROCESSO DE FUNDIÇÃO, EM PEÇAS PRODUZIDAS COM LIGAS DE ALUMÍNIO 2 Niterói 2019 EDSON DE SOUZA MORAIS NOME DO AUTOR (Caixa alta, fonte Arial 14, centralizado) TÍTULO DO TRABALHO: (Título em caixa alta, fonte Arial 14, em negrito; subtítulo em caixa alta, fonte Arial 16, sem negrito) ESTUDO SOBRE O PROCESSO DE FUNDIÇÃO, EM PEÇAS PRODUZIDAS COM LIGAS DE ALUMÍNIO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Centro Universitário Anhanguera de Niterói como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Mecânica. Orientador: Laerte Correa dos Santos 3 EDSON DE SOUZA MORAIS Estudo sobre o processo de fundição, em peças produzidas com ligas de alumínio Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Centro Universitário Anhanguera de Niterói como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em Engenharia Mecânica. Orientador: Laerte Correa dos Santos BANCA EXAMINADORA Prof(a). Titulação Nome do Professor(a) Prof(a). Titulação Nome do Professor(a) Prof(a). Titulação Nome do Professor(a) Niterói, 9 de dezembro de 2019 4 AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar, gostaria de agradecer a Deus, meu salvador, sou muito agradecido, pois ele me permitiu a oportunidade dessa vida maravilhosa e a capacidade intelectual, que me permitiu atingir os meus principais objetivos durante esse período da minha vida. Além de ter a presença de Deus em minha vida, gostaria de agradecer as pessoas que fizeram parte desse ciclo da minha vida, que tornaram a minha caminhada muito mais fácil e prazerosa durante a trajetória desse curso de graduação em engenharia mecânica, em especial quero agradecer aos meus familiares, pois são a minha base e estão acima de todos, a minha mãe foi essencial, pois ela sempre me incentiva e me dá apoio em tudo na minha vida, e dessa vez não foi diferente, o meu pai sempre foi um exemplo de homem na minha vida e um profissional exemplar o que me inspira a ser e fazer o meu melhor todos os dias para que ele tenha orgulho da minha pessoa, do meu irmão que sempre esteve ao meu lado e elogiou quanto a minha força de vontade e persistência em continuar. Gostaria de expressar os meus agradecimentos a todo o meu corpo docente e a minha instituição, pois me permitiu que eu fizesse uma boa graduação me dando todo o suporte necessário nessa caminhada. 5 MORAIS, Edson de Souza. Estudo sobre o processo de fundição, em ligas de alumínio, 2019. 32 páginas. Trabalho de Conclusão de Curso em Graduação em Engenharia Mecânica – Centro Universitário Anhanguera de Niterói, Niterói, 2019. Resumo O trabalho trata-se de uma revisão bibliográfica com o objetivo de demonstrar o estudo sobre o processo de fundição sob pressão, em ligas feitas com alumínio. A metodologia a ser utilizada para a confecção desse trabalho acadêmico tem como base a utilização de revisões literárias de diferentes autores, para que seja observado diferentes pontos vistos, além disso, foram analisados e utilizados artigos científicos e acadêmicos, e também documentos de origem confiável. Na introdução e no primeiro capitulo o leitor vai ser familiarizado com os diversos tipos de processos de fundição, além de encontrar todo o passo a passo dos processos de fundição. No segundo capitulo o leitor vai encontrar uma maior ênfase no processo de fundição sob pressão, comparando com as outras técnicas e expondo as vantagens e desvantagens desse processo em relação aos outros. No terceiro capitulo vai ser apresentado todas as características do material escolhido, o alumínio, além disso vai determinar vantagens e desvantagens desse material quando comparado com outros tipos de materiais. Através das informações demonstradas nesse trabalho será possível ao leitor diferenciar os diversos processos apresentados e apontar qual é a técnica mais adequada para a fundição em ligas de alumínio. Palavras Chave: Fundição; Fundição sob pressão; Moldagem; Ligas de alumínio; História da fundição; como é feita a fundição; Processos de fundição; Vantagens e Desvantagens da fundição sob pressão. 6 MORAIS, Edson de Souza. Study on the process of casting in aluminum alloys, 2019. 32 pages. Graduation Course in Mechanical Engineering - Anhanguera University Center of Niterói, Niterói, 2019. Abstract This project is a bibliographical review aiming to demonstrate the study of the process of die casting in aluminum alloys. The methodology to be used to for the preparation of this academic work is based on the use of literary reviews by different authors, so that different points of view can be observed. In addition, scientific and academic articles, as well as documents of reliable origin, were analyzed and used. In the introduction and in the first chapter the reader will be familiar with the various types of casting processes and will find all the step by step casting processes. In the second chapter the reader will find a greater emphasis on the die casting process, comparing with the other techniques and exposing the advantages and disadvantages of this process in relation to others. In the third chapter will be presented all the characteristics of the chosen material, aluminum, in addition will determine advantages and disadvantages of this material when compared with other types of materials. Through the information demonstrated in this work it will be possible for the reader to differentiate the various processes presented and point out which is the most suitable technique for aluminum alloy casting. Key-words: Foundry; Die casting; Molding; Aluminum alloys; Foundry history; It is taken as the melt; Foundry processes; Advantages and Disadvantages of die casting. 7 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1: Tipos de moldes/processos ....................................................................... 14 Figura 2: Metade de um molde de shell molding ...................................................... 16 Figura 3: Processo de fundição através da moldagem em shell molding ................. 17 Figura 4: Molde permanente de fechamento manual ............................................... 18 Figura 5: Molde permanente de fechamento automático ......................................... 19 Figura 6: Esquematização da injetora por câmara quente ....................................... 21 Figura 7: Injetora por câmara quente ....................................................................... 22 Figura 8: Esquematização da injetora por câmara fria ............................................. 23 Figura 9: Injetora por câmara fria vertical ................................................................. 24 Figura 10: Injetora por câmara fria horizontal ........................................................... 25 Figura 11: Porosidade por contração ....................................................................... 26 Figura 12: Porosidade por gases ............................................................................. 28 Figura 13: Ligas de alumínio (ABNT 6351) .............................................................. 31 Figura 14: Alumínio Liquido preparado para fundição .............................................. 32 8 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Sistema de designação do alumínio e ligas de alumínio trabalhado ........ 32 Tabela 2: Composição química nominal de algumas ligas Al-Si fundidas (% em massa). .....................................................................................................................33 Tabela 3: Propriedades mecânicas de ligas Al-Cu fundidas ..................................... 35 Tabela 4: Propriedades mecânicas de algumas ligas da série 7XXX. ...................... 36 Tabela 5: Propriedades mecânicas: ligas Al-Mn. ...................................................... 37 9 SUMÁRIO LISTA DE TABELAS .................................................................................................. 8 1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 10 2. OS PROCESSOS DE FUNDIÇÃO ........................................................................ 12 2.1 O CONCEITO DE FUNDIÇÃO ................................................................. 12 2.2 OS DIFERENTES TIPOS DE PROCESSOS ........................................... 13 2.2.1 Fundição em moldes de areia verde ............................................. 14 2.2.2 Fundição com moldes em casca (Shell molding) .......................... 16 2.2.3 Fundição em coquilha por gravidade ............................................ 18 3. A FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO EM LIGAS DE ALÚMINIO .................................. 20 3.1 A DEFINIÇÃO DO PROCESSO ............................................................... 20 3.2 INJETORAS POR CÂMARA QUENTE .................................................... 21 3.3 INJETORAS POR CÂMARA FRIA ........................................................... 22 3.3.1 Injetoras de câmara fria vertical .................................................... 23 3.3.2 Injetoras de câmara fria horizontal ................................................ 25 3.4 A POROSIDADE NO PROCESSO DE FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO DE ALUMÍNIO 25 3.4.1 Porosidade por contração ............................................................. 26 3.4.2 Porosidade por gases ................................................................... 27 3.5 VANTAGENS E DESVANTAGENS DA FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO ..... 29 4.LIGAS DE ALUMINIO ............................................................................................ 31 4.1 LIGAS AL-SI ............................................................................................ 33 4.2 LIGAS AL-CU .......................................................................................... 35 4.3 LIGAS AL-ZN ........................................................................................... 36 4.4 LIGAS AL-MN .......................................................................................... 37 4.5 VANTAGENS DO ALUMINIO NA FUNDIÇÃO ......................................... 38 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS .................................................................................. 40 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 41 10 1. INTRODUÇÃO O processo de fundição foi descoberto pelo ser humano há séculos, tendo-se como base, o derramamento de metal liquido dentro de um molde, cuja é a forma da peça que fundida, sendo um processo muito versátil, com uma grande variação de peças a serem produzidas, das mais diferentes formas e tamanhos e com os mais diferentes materiais, como o bronze, o cobre, o ferro e o alumínio. Com a rápida evolução desse processo de fabricação, diversas novas técnicas foram desenvolvidas e aprimoradas. A pesquisa teve como finalidade, a difusão cada vez mais dos processos de fundição, e dando-se uma maior ênfase no processo de fundição sob pressão ligas de alumínio, e buscando atender diferentes públicos, tanto no meio acadêmico, tanto no meio industrial. E explicou-se de forma muito sucinta o porquê da escolha do processo de fundição sob pressão como prioridade, além de mostrar as vantagens e desvantagens desse método em relação aos outros, além disso explicita-se o motivo do uso do alumínio como material escolhido. O alumínio é um dos principais materiais utilizados na indústria da fundição, podendo ser fundido das mais variadas formas possíveis, pois é um dos materiais mais versáteis que existe no mercado. Diante dessas informações, o problema em questão para o estudo foi; quais são os processos de fundição mais indicados para a produção de peças feitas com ligas de alumínio? Dessa forma, o estudo teve como objetivo principal; determinar, baseado em uma revisão literária, que o processo de fundição sob pressão é o mais adequado e vantajoso, para a produção de peças feitas com ligas de alumínio. O que foi destrinchado nos objetivos específicos, a ler se; descrever detalhadamente o passo a passo de todo o processo de fundição para a produção de peças em ligas de alumínio, nas mais diversas técnicas possíveis; demonstrar que o processo de fundição sob pressão em ligas de alumínio é o mais indicado quando se é necessário produzir uma grande quantidade de peças que exijam uma maior excelência de acabamento; determinar sucintamente que o alumínio é o melhor material para a realização do estudo sobre processos de fundição, possuindo as características necessárias para a 11 obtenção do melhor resultado possível diferentes de outros materiais encontrados no mercado. O estudo teve como metodologia aplicada o uso e verificações de bibliografia, e foi determinante para obter uma pesquisa de revisão literária, e reforçando-se em arquivos acadêmicos, ideias e evidências apresentadas por autores de obras literárias, artigos científicos, documentos oficiais e outros registros de teoria respaldada. Essa revisão foi efetuada com base em diversas obras literárias dando assim uma ampla gama de referências do conteúdo abordado. 12 2. OS PROCESSOS DE FUNDIÇÃO 2.1 O CONCEITO DE FUNDIÇÃO O processo de fundição acontece por meio do derramamento de um metal (ou liga metálica) líquido no interior de uma cavidade, que é denominada de molde, a forma do molde corresponde, em negativo, à da peça desejada (SIEGEL, 1985). Segundo Baldam e Vieira (2014) há relatos de que o ser humano já utilizava os processos de fundição desde o período de 5000 a.C. (Antes de Cristo) a 3000 a.C., sendo o material mais usado, o cobre, pois é um material fácil de ser fundido, e os moldes sendo feito de pedra lascada, posteriormente o ferro também começou a ser fundido, na China em 600 a.C. E bem mais tarde, já na era moderna foram introduzidos os mais diversos materiais, com o aço e o alumínio como destaque. As peças fundidas são constituídas por ligas metálicas, que são divididas em ferrosas e não ferrosas, entre toda a produção de fundidos, o ferro fundido representa (cerca de 83%), em seguida vem o aço (10%) e as ligas não ferrosas (7%) (DEUS, 2004). Como o desenvolvimento da fundição vem acontecendo desde muito tempo atrás, esse método foi evoluindo junto com o ser humano, e acabou se tornando muito presente na vida das pessoas, e fez com que fosse muito versátil para a produção de peças, das mais variadas formas e tamanhos (SIEGEL, 1985). O processo de fabricação da peça fundida, tem início com a elaboração do desenho técnico da peça; passando pela realização de todo o projeto; da confecção e reparação de modelos, caixas de machos e modelação; depois é feita a preparação da areia para a moldação da peça, a moldação, a macharia, a área de fusão, o vazamento dos moldes, a rebarba e a limpeza da peça, e pôr fim a fundição da peça é finalizada (MACHADO, 2006). A ferramenta que permitiu-se que o metal liquido fosse despejado em sua cavidade, cuja tem o mesmo formato da peça final chama-se molde, e é extremamente necessário que este fosse feito com um material resistente à elevadas temperaturas dos metais líquidos despejados. 13 “Macho é a parte do molde fabricado separadamente e colocado em sua cavidade após a extraçãodo modelo para a obtenção de maneira mais econômica, formas internas ou externas de uma peça, e facilitar a construção do modelo” (BALDAM e VIEIRA, 2014 p.24). O metal liquido transportado para o molde através dos canais de enchimento, esse processo é chamado de vazamento, esse processo deve ser feito de uma forma muito cuidadosa, tomando as devidas precauções, e o sistema de canais utilizado deve ter uma dimensão adequada. A equação que determina o fluxo do metal líquido através do sistema de alimentação e dentro do molde é o teorema de Bernoulli, que afirma que a soma das energias (altura, pressão, cinética e fricção) nos dois pontos do fluxo são exatamente iguais. Ela é escrita da seguinte forma: 𝐻1 + 𝑝1 𝜌 + 𝑣2 1 2𝑔 + 𝑓1 = ℎ2 + 𝑝2 𝜌 + 𝑣2 2 2𝑔 + 𝑓2. Com o fim do processo de vazamento a peça é retirada do molde já em estado sólido, sendo separado a peça da areia do molde, cujo o nome é desmoldagem. Nessa parte do processo é essencial que a temperatura do molde e da peça tenham sido controlados, pois em caso de não tomadas as devidas precauções, existe o risco de choque térmico da peça (MACHADO,2006). O acabamento é a etapa final do processo, que consiste na limpeza total da peça, para que todo vestígio de areia grudado e qualquer tipo de rebarba tenha sido totalmente removido no final do processo. Em métodos que não envolvam a utilização de areia, a limpeza da peça não é necessária (MARIOTTO, 1986). 2.2 OS DIFERENTES TIPOS DE PROCESSOS A fundição é separada em diversos tipos de processos, das mais variadas técnicas possíveis, cada um com a sua vantagem e desvantagem. Os processos de fundição mais utilizados são de moldagem em areia, moldagem em casca, a fundição sob pressão, shell molding, cold box, a fundição de precisão, centrífuga, e alta precisão. 14 Figura 1: Tipos de moldes/processos Fonte: Casotti, Filho e Castro (2011) Segundo Baldam e Vieira (2014) a escolha do processo depende do tamanho e da geometria da peça, do tipo da liga a ser fundida, do número de peças produzidas, e da qualidade das peças, também é importante o lado financeiro do processo, pois não adianta a utilização de uma técnica que não vai ser viável na produção final da peça. Quando tratam-se de peças produzidas com ligas de alumínio, os processos de fundição mais comumente usados são a fundição em moldes de areia verde, shell molding, além da fundição em coquilha e a fundição sob pressão. 2.2.1 Fundição em moldes de areia verde O processo de fundição por meio de moldes de areia verde é um dos processos mais antigos e empregados para a obtenção de peças fundidas, ele ainda é o mais utilizado no mercado por causa de diversas razões, dentre elas, a economia, pois é um dos processos mais baratos existentes, e também por ser um processo altamente versátil, fazendo com que uma vasta gama de matérias possam ser utilizados. “A qualidade da areia de moldação tem uma influência considerável sobre a qualidade das peças fundidas e é resultante de um conjunto de propriedades, sendo 15 que alguma delas podem ser medidas em condições padronizadas” (BALDAM e VIEIRA, 2014 p.183). Nesse processo, uma mistura composta de areia silicosa, argila, e água é compactada no modelo do formato da peça que está sendo fundida, essa compactação pode ser feita tanto de forma manual, como também de forma mecanizada. Segundo Siegel (1985) depois do modelo ser devidamente retirado e os machos forem colocados, o molde é fechado, após esse processo, o metal é inserido sem existir a necessidade da secagem, mantendo assim a sua umidade de origem, por isso esse processo é chamado de moldagem por areia verde. O passo a passo da moldagem em areia verde acontece da seguinte forma; a caixa de molde é inserida sobre uma superfície de madeira ou mesmo no chão, assim a mistura é compactada no modelo, a chamada caixa – fundo é virada para que o modelo fique para cima, e a chamada caixa – tampa é colocada sobre a outra caixa. Ela é enchida completamente com a areia, e os canais de descida e o massalote são retirados da caixa, separando–as, então abrem-se o copo de vazamento na caixa-tampa, o canal de distribuição e de entrada na caixa-fundo, os machos são colocados e o metal é despejado, após o resfriamento do metal a peça é desmoldada e está completamente fundida. Segundo Baldam e Vieira (2014) a moldagem por areia verde tem como vantagens; o baixo custo; o fácil reparo; e equipamentos mais acessíveis, sendo empregadas tanto nas maiores como nas menores industrias. As desvantagens desse método são; a areia natural normalmente é heterogênea, influenciando a qualidade das peças; tem um acabamento superficial inferior; e tem o problema da maior deformação do molde (erosão) com peças de tamanho grande (BALDAM e VIEIRA, 2014). Segundo Mariotto (1986) as areias aglomeradas que produzem os moldes no processo, têm as seguintes características imprescindíveis; a escoabilidade; a consistência; e a plasticidade. Segundo Chang e Hocheang (2001) é determinante que uma boa quantidade de água seja adicionada junto com a mistura com areia verde, pois além de dar liga 16 na areia verde, ela é importante para o processo de fluidez e plasticidade durante todo o processo de moldagem. 2.2.2 Fundição com moldes em casca (Shell molding) O processo shell molding ou moldagem em casca, é bem parecido com a moldagem em areia, porém, é utilizado uma mistura com resina que acaba garantindo que os grãos fiquem unidos. Este processo foi patenteado em 1944 na Alemanha, e segundo relatórios da época, informava a fabricação de moldes e machos de paredes finas e uniformes, feitas a partir dessa mistura de resina e areia (SIEGEL, 1985) Figura 2: Metade de um molde de shell molding Fonte: Oliveira, Guesser e Baumer (2003) A moldagem em casca é uma espécie de aprimoramento do processo de fundição com moldes em areia verde, pois elimina as desvantagens do processo anterior, adicionando uma resina sintética nas misturas de areia, a adição da resina á 17 mistura faz com que não seja mais necessária a compactação no processo, porque ela age como uma “cola”. O passo a passo funciona da seguinte forma; os modelos de metal são acoplados nas placas com os canais e os alimentadores. Ela é presa e aquecida na máquina. A mistura de areia e resina é colocada em um reservatório de aço ou alumínio de no máximo 45 cm, com rotação de 180° para que o modelo fique envolvido pela mistura. Após isso o conjunto fica invertido para permitir a fusão e a adaptação da mistura com o molde (BALDAM e VIEIRA, 2014). A mistura de resina e areia é fundida e forma uma espécie de casca (“shell”) sobre o modelo, com isso a placa moldada é colocada no forno para completar o tempo necessário da cura da casca, em seguida acontece a extração da casca (SIEGEL, 1985). Figura 3: Processo de fundição através da moldagem em shell molding Fonte: Adaptado Baldam e Vieira (2014) A moldagem em casca tem como principais vantagens a reutilização dos moldes e machos, o bom acabamento das peças fundidas com esse método, além de ser bem versátil quanto ao formato das peças, em contra partida o custo desse 18 processo é muito elevado, principalmente se comparado á moldagem por areia verde, e também é bem problemático para fazer peças com dimensões grandes. 2.2.3 Fundição em coquilha por gravidade A fundição em coquilha é um método que utiliza um molde em ferro fundido, que copia a peça na coquilha. Então o vazamento do metal liquido acontece por meio da gravidade com um canal de alimentação que molda a peça dentro do molde metálico. Segundo Siegel (1985) o processo de fundição de moldes permanentes pode ser definido como qualquer processo que o metal liquido é despejado em um molde de metal, e podeser usado o mesmo molde diversas vezes desde que seja utilizado com ligas metálicas de baixo ponto de fusão, como o alumínio. Figura 4: Molde permanente de fechamento manual Fonte: Machado (2006) 19 Figura 5: Molde permanente de fechamento automático Fonte: Machado (2006) A fundição em coquilha por meio de moldes permanentes possuem diversas vantagens em relação às peças produzidas em moldes de areia, elas apresentam uma maior uniformidade, melhor acabamento superficial, tolerâncias menores e melhores propriedades mecânicas. Porém como todo processo tem as suas desvantagens, essas peças, no entanto precisam ser de tamanho pequeno, e produzidas em grande quantidade (BALDAM e VIEIRA, 2014). 20 3. A FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO EM LIGAS DE ALÚMINIO 3.1 A DEFINIÇÃO DO PROCESSO Segundo Malavazi (2005) o processo de fundição sob pressão acontece quando um metal liquido é injetado para dentro de um molde, que também pode ser chamado de matriz, com isso o metal liquido é submetido a uma alta pressão fazendo com que aconteça todo o preenchimento da matriz. Depois que que acontece a solidificação do metal, a matriz pode ser aberta, e por meio de uma espécie de pinos que são acionados de forma hidráulica, a peça pode ser retirada, então a matriz é limpada e pode repetir o ciclo novamente (BALDAM e VIEIRA, 2014). Como nesse processo são utilizadas as matrizes metálicas, que tem um alto índice de desgaste, os metais utilizados nesse processo são apenas os não ferrosos de baixo ponto de fusão, geralmente sendo utilizadas as ligas de alumínio ou de zinco (SIEGEL,1985). Os moldes metálicos utilizados na fundição sob pressão se chamam matrizes, e elas são produzidas com aço ferramenta e é extremamente resistente a altas temperaturas. Além disso a maioria delas possui uma refrigeração a água, para que tenha maior vida útil e para que não haja defeitos nas peças (MACHADO, 2006). Segundo Soares (2000) o processo de fundição por injeção ou sob pressão tem como característica uma alta produtividade de peças em pouco tempo e a obtenção de peças com formas complexas e com um excelente acabamento superficial. A fundição sob pressão pode ser feita por meio de dois tipos de equipamentos diferentes, eles são chamados de injetoras de câmara quente e injetoras de câmara fria. As injetoras de câmara quente são utilizadas para metais com baixo ponto de fusão, e para peças que precisam de pressões de injeção baixas (estanho, zinco e chumbo), porém, para metais com maior ponto de fusão e maiores pressões de injeção, utiliza-se as injetoras de câmara fria (SOARES, 2008). 21 3.2 INJETORAS POR CÂMARA QUENTE Segundo Malavazi (2005) o forno com a câmara de injeção é acoplado à com injetora por câmara quente, assim forma-se apenas um conjunto. Dentro de um forno aquecido com resistências elétricas, e estão submersos no metal líquido o pistão e a câmara de injeção. “No seu interior está um pistão hidráulico que, ao descer, força o metal liquido a entrar em um canal que o leva diretamente à matriz” (BALDAM e VIEIRA, 2014 p.33). Figura 6: Esquematização da injetora por câmara quente Fonte: Adaptado Machado (2006) Esse processo acontece por meio da injeção do metal por pequenos furos que preenchem toda a cavidade, quando o pistão é acionado hidraulicamente, esses furos são fechados de maneira que o metal liquido tenha que percorrer toda a câmara preenchendo assim toda a matriz. 22 Segundo Machado (2006) as injetoras por câmara quente permitem pressões típicas que vão de 7 a 35 Mpa (Mega Pascal). Comumente encontrando taxas de produção de até 500 peças por hora. Figura 7: Injetora por câmara quente Fonte: Tcmaquinhas (2019) A fundição sob pressão por em câmaras quentes são limitadas a produção com apenas metais não ferrosos de baixo ponto de fusão, pois eles não atacam de forma química os componentes mecânicos. Esses metais são o chumbo, o estanho, o zinco, e às vezes, magnésio. 3.3 INJETORAS POR CÂMARA FRIA O processo de fundição sob pressão por meio de câmaras frias tem um funcionamento bem parecido com as de câmaras quentes, elas são utilizadas para fundição de metais não ferrosos que possuem um elevado ponto de fusão, como o alumínio, o latão e as ligas de magnésio. 23 Figura 8: Esquematização da injetora por câmara fria Fonte: Adaptado Machado (2006) Segundo Machado (2006) as injetoras por câmara fria têm como característica, o uso de pressões de injeção usadas que vão, de 14 a 140 MPa. Sendo um processo geralmente mais longo e demorado se comparado com as injetoras por câmara quente. Esse processo pode ser subdividos em duas formas diferentes, existem as injetoras de câmara fria vertical, e também as injetoras de câmara fria horizontal. 3.3.1 Injetoras de câmara fria vertical Esse processo pode ser chamado de fundição sob pressão por meio de câmara fria vertical pois o posicionamento do pistão injetor está inserido na posição vertical e o grupo de fechamento está na posição horizontal. 24 Figura 9: Injetora por câmara fria vertical Fonte: Desma (2019) O metal líquido é despejado dentro da câmara de injeção (posição vertical) tendo em sua base o contra pistão que mantém o orifício de acesso à cavidade do molde bloqueado. À medida que o pistão é acionado, o contra pistão desce desbloqueando o orifício de acesso pelo qual, o metal líquido é forçado a passar e preencher toda a cavidade do molde. Terminada a injeção, o pistão recua-se liberando o contra-pistão que sobe e bloqueia novamente o orifício (SOARES, 2008 p.87). 25 3.3.2 Injetoras de câmara fria horizontal As injetoras de câmara fria horizontal são completamente ao contrário da vertical, pois o pistão está na posição horizontal e o grupo de fechamento está na posição vertical. O processo de injeção por câmara fria na horizontal é o mais utilizado no mercado, e esses equipamentos estão em constante processo de evolução. Figura 10: Injetora por câmara fria horizontal Fonte: Yizumi (2019) É bem semelhante a injeção por meio de câmara fria vertical, consistindo na injeção do metal líquido, assim ele é vazado para a câmara de injeção por um furo, então o pistão é acionado de forma hidráulica, forçando o preenchimento de toda a matriz. 3.4 A POROSIDADE NO PROCESSO DE FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO DE ALUMÍNIO 26 Segundo Brevick (2009) o problema das porosidades acontece, pois, os vazios ou poros que foram preenchidos com os gases, porém deveria existir metal nesses poros, isso acontece devido à natureza física dos metais, por isso as peças fundidas têm tendência a ter o problema porosidade. A porosidade acontece geralmente por dois fatores mais comuns, a porosidade por contração, que é resultante da solidificação, sendo assim uma característica dos metais, e a porosidade por gases, que acontece por meio da introdução de gases no processo, isso acontece por causa das condições do processo de fundição. 3.4.1 Porosidade por contração O problema da porosidade por contração acontece por meio de vazios ou furos nas peças que são fundidas por injeção, devido a constante mudança do volume dos metais quando estão no processo de solidificação. Esse tipo de porosidade está diretamente ligado com a transferência de calor do molde com o sistema de alimentação da cavidade, esse problema se torna mais frequente nas régios mais espessas, pois a compensação da contração se torna inviável pelos canais de entrada, fazendo com que solidifique se de maneira muito rápida (MALAVAZI, 2005). Figura 11: Porosidade por contração Fonte: Cimm (2010) 27 Segundo Kirkman (2006) é de extrema importânciao acompanhamento de todo o processo, pois a temperatura do molde é o fator determinante para controlar a localização da contração, e do tempo de alimentação do metal em uma determinada seção do material. Além disso o ritmo do trabalho deve acontecer de forma constante e continua evitando assim grandes variantes no tempo de ciclo da máquina. A pressão da compactação deve ser muito bem calculada, pois ela é introduzida após a injeção do metal, e se mantem durante o processo de solidificação, quanto maior o tempo de subida da pressão mais chances de ocorrer o problema de porosidade por contração, então o tempo de subida deve ser o menor possível, pois o material solidifica se rapidamente após o fim do processo, possuindo um maior controle da quantidade de material que foi injetado (KIRKMAN, 2006). 3.4.2 Porosidade por gases O problema de porosidade por gases é o tipo de porosidade mais comumente encontrado em peças fundidas por injeção sob pressão, a sua aparência assemelha se com “bolhas” em uma forma circular. Segundo Malavazi (2005), a porosidade gasosa é um problema que tem relação com métodos de injeção de alta velocidade, grande turbulência do escoamento, e rápida taxa de preenchimento necessária ao processo. 28 Figura 12: Porosidade por gases Fonte: Unicamp (2011) Segundo Walkington (2006) as principais causas deste tipo de porosidade são; o ar aprisionado, sendo que essa é a causa mais provável, porque existe uma grande turbulência do fluxo e uma rápida taxa de preenchimento do processo; o vapor e gás de lubrificante vaporizado também é uma possível causa, a introdução do metal líquido deve ter a garantia de que o molde esteja seco. A mistura de desmoldante a base de água quando se é utilizada em excesso para controlar a temperatura é a fonte mais frequente de vapores; e por fim o gás hidrogênio é um outro fator de porosidade por gases devido à composição das ligas e as temperaturas utilizadas na injeção sob pressão, cerca de 680°C (Graus Celsius), como o hidrogênio tem a solubilidade é baixa, ela representa cerca de 5 a 10% da porosidade por gás. 29 Também vale o destaque de outros fatores operacionais como movimento irregular do pistão injetor, obstrução de saídas e bolsas de gases como pontos relevantes de aprisionamento de gases, e, portanto, formação de porosidade. que podem ter relação direta com o aparecimento da porosidade no processo. (MALAVAZI, 2005). 3.5 VANTAGENS E DESVANTAGENS DA FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO Como todos os processos de fundição existentes no mercado, a injeção por pressão também possui diversas vantagens e desvantagens em relação as outras. Segundo Baldam e Vieira (2014) as principais vantagens do processo de fundição sob pressão são; peças fundidas por meio desse processo são mais resistentes do que as fundidas com outros métodos; as peças fundidas sob pressão permite formas mais complexas, possuem paredes mais finas e tolerâncias dimensionais mais estreitas; e as matrizes possuem uma grande durabilidade podendo ser utilizada a mesma matriz para a produção de uma alta quantidade de peças. As principais desvantagens do processo são; apenas metais não ferrosos podem ser utilizados, sem exceções; as limitações de peso da peça são raramente superiores a 5kg; o ar pode ser retido no interior das matrizes, causando assim o problema da porosidade nas peças; além disso esse processo possui um o alto custo de equipamentos e acessórios, sendo viável apenas para uma grande quantidade de produção (SOARES, 2000). Para demonstrar a importância do alumínio no processo de fundição sob pressão, Machado (2006, p.22) declara que: A indústria automobilística utiliza uma grande quantidade de peças fundidas sob pressão: tampas de válvulas, fechaduras, carcaças de motor de arranque, maçanetas, caixas de câmbio de máquinas agrícolas. O mesmo acontece com a indústria aeronáutica, que utiliza peças fundidas principalmente de ligas de alumínio e magnésio. Essa variedade de produtos indica a importância desse processo de fabricação dentro do setor de indústria metal-mecânica. O Processo de fundição sob pressão é altamente utilizado na produção de peças que exigem uma excelência de qualidade e acabamento, mesmo com as suas 30 limitações de tamanho. Além disso é uma das técnicas mais importantes do mercado, pois representa grande parte das peças fundidas na indústria de aeronaves e automóveis, evidenciando-se ainda mais a sua importância no mercado, sendo um processo de referência em escala global. 31 4.LIGAS DE ALUMINIO Segundo Baldam e Vieira (2014) o alumínio (Al) já era produzido de forma comercial desde muito tempo, pra ser preciso há cerca de 150 anos atrás, as principais características do alumínio, são a baixa temperatura de fusão, a forte tendência a ser oxidado, possui uma densidade baixa, alta condutividade térmica, e tem um alto coeficiente de dilatação. Segundo Rennó (1987) por ser um material bem versátil e econômico financeiramente, ele se tornou muito útil em diversas aplicações, desde a construção de automóveis e aeronaves até mesmo na produção de peças decorativas. As ligas de alumínio são muito utilizadas no processo de fundição sob pressão, sendo as ligas mais recomendadas para esse processo. Figura 13: Ligas de alumínio Fonte: Dubronze (2015) Como o alumínio é um dos materiais mais versáteis, mais econômicos e mais atrativos encontrados no mercado para diversas aplicações, ele se torna muito útil para construção de estruturas moveis como automóveis e aeronaves (HATCH, 1990). 32 Figura 14: Alumínio Liquido preparado para fundição Fonte: Lemnos (2019) Uma excelente característica das ligas produzidas de alumínio é a boa resistência à oxidação progressiva, assim impedindo a deterioração do mesmo, além disso, quando submetido a alguns tratamentos específicos, a liga se torna resistente até mesmo à corrosão em meios mais agressivos (BALDAM e VIEIRA, 2014). A principal limitação do uso do alumínio está se correlaciona também com o seu ponto forte, devido a sua baixa temperatura de fusão [660ºC(1220ºF)] ele não pode ser usado em todos os métodos da fundição, isso faz com que a temperatura máxima em que o Alumínio pode ser utilizado seja mais baixa (CALLISTER, 2002). As ligas de Alumínio são formadas com a combinação com outros materiais, são eles, o Cobre (Cu), Magnésio (Mg), Manganês (Mn), Silício (Si), Zinco (Zn). A escolha dos elementos e sua proporção dependem das propriedades que deseja se obter no final da produção (TASSIN, 1995). Tabela 1:Sistema de designação do alumínio e ligas de alumínio trabalhado 1XXX 99% de alumínio 2XXX Cobre 33 3XXX Manganês 4XXX Silício 5XXX Magnésio 6XXX Magnésio e Silício 7XXX Zinco 8XXX Outros Elementos 9XXX Série não utilizada Fonte: AA (2000). As ligas de alumínio possuem um sistema de designação composto por quatro dígitos, o primeiro significa o principal elemento adicionado; o segundo, significa a mudança da liga básica; e o terceiro e o quarto indicam para o alumínio o teor mínimo do metal, e, para as ligas (ABAL, 2011). 4.1 LIGAS AL-SI As ligas Al-Si são as principais ligas de alumínio utilizadas na fundição, o emprego delas é muito variado, e são usadas principalmente para a produção de peças de motores de automóveis e aeronaves. Segundo Rennó (1987) as ligas Al-Si são utilizadas nas indústrias da fundição e da soldagem devido ao seu principal elemento combinado ao alumínio, pois o silício tem uma boa qualidade quando se diz respeito ao processo de solidificação. Segundo Hatch (1990) o silício utilizado nessas ligas possui teores de até 12 ou 13% fazendo com que a fluidez do alumínio liquido seja aumentado. Com isso o alumínio é melhor transportado através do molde de fundiçãoe permite a produção de peças com formas mais complexas, além reduzir a porosidade das peças fundidas, reduzir o coeficiente de expansão térmica e melhorar a soldabilidade. Tabela 2: Composição química nominal de algumas ligas Al-Si fundidas (% em massa). Liga Si Fe Cu Mg Zn Al 34 413.0 12 2,0 máx 1,0 máx 0,10 máx - Bal . A 413.0 12 1,3 máx 1,0 máx 0,10 máx - Bal . 443.0 5,25 0,8 máx 0,6 máx 0,05 máx 0,50 máx Bal . A 443.0 5,25 0,8 máx 0,30 máx 0,05 máx 0,50 máx Bal . B 443.0 5,25 0,8 máx 0,15 máx 0,05 máx 0,35 máx Bal . C 443.0 5,25 2,0 máx 0,6 máx 0,10 máx 0,50 máx Bal . 444.0 7,0 0,6 máx 0,25 máx 0,10 máx 0,35 máx Bal . A 444.0 7,0 0,20 máx 0,10 máx 0,05 máx 0,10 máx Bal . Fonte: Infomet (2019) Segundo Rennó (1987) outros materiais podem ser combinados com o alumínio e o silício em pequenas quantidades, afim de melhorar ainda mais alguns aspectos da propriedade das ligas, são eles o Ferro (Fe), o Cobre (Cu), o Magnésio (Mg) e o Zinco (Zn). E dá origem a diversos subgrupos com a combinação desses materiais. O Ferro (Fe), adicionado em pequena escala ajuda na minimização da liga Al- Si soldar se ao molde metálico permanente, o Cobre (Cu), tem como principal virtude quando adicionado, o aumento da resistência da liga, antes e depois do tratamento térmico, além de diminuir a contração durante o resfriamento. (HATCH, 1990). O magnésio (Mg) pode ajudar no tratamento térmico, mas é muito importante que o controle da quantidade adicionada não seja elevado, pois existe o risco do magnésio (Mg) atrapalhar o processo de fundição, e o zinco (Zn) quando é adicionado junto ao magnésio (Mg) ajuda em uma maior resistência aos impactos, a alta resistência a tração e na ótima ductibilidade. (BALDAM e VIEIRA, 2014). 35 4.2 LIGAS AL-CU As ligas Al-Cu possuem uma excelente resistência mecânica depois de ter recebido um tratamento térmico adequado, e essa é a principal vantagem dessa liga de alumínio. Segundo Rennó a liga 2017, que é a mais conhecida do mercado, possui 4% de cobre, 0,5% de magnésio, e 0,7% de manganês. A adição desses elementos aumenta potencialmente a resistência à tração dessa liga de 9,1 kg/mm² (que representa o alumínio em sua forma pura) para 18,2% kg/mm². Tabela 3: Propriedades mecânicas de ligas Al-Cu fundidas. Liga Limite de resistência (MPa) Limite de escoamento (MPa) Alongamento (%) em 50mm Dureza Brinell 201.0 (T6) 448 379 8,0 130 208.0 (F) 145 97 2,5 55 213.0 (F) 165 103 1,5 70 222.0 (T62) 421 331 4,0 115 224.0 (T571) 380 276 10,0 123 240.0 (F) 235 200 1,0 90 242.0 (T571) 221 207 0,5 85 295.0 (T6) 250 165 5,0 75 Fonte: Infomet (2019) Porem essas ligas de possuem diversas desvantagens quando comparadas as outras ligas de alumínio, as principais são que elas não são muito resistentes a corrosão e a conformabilidade é limitada em relação as outras. Geralmente essas ligas possuem teor de cobre de 4 a 6% o que permite que essas ligas tem uma dureza elevada. (HATCH, 1990). “A presença do magnésio acelera e intensifica o endurecimento durante o envelhecimento natural” (BALDAM e VIEIRA, 2014 p.242). 36 4.3 LIGAS AL-ZN As ligas Al-Zn possuem a principal aplicabilidade na indústria aérea, é a principal liga usada para a produção de aviões, pois essas ligas conseguem atingir os maiores níveis de resistência mecânica quando comparadas as outras ligas de alumínio. “Entre as ligas da série 7XXX (Al – Zn) destacam-se os subgrupos Al-Zn-Mg e Al-Zn-Mg-Cu” (BALDAM e VIEIRA, 2014 p.242). Tabela 4: Propriedades mecânicas de algumas ligas da série 7XXX. Liga Têmp era Limi te de resistência mecânica (MPa) Limit e de resistência ao escoamento (MPa) Alonga mento % (em 50 mm) Dur eza Brinell Li mite de resistênci a à fadiga (MPa) 7001 T6 675 625 9 160 150 7005 T5 360 315 15 96 - 7021 T62 420 380 13 - 138 7029 T5 430 380 15 - - 7049 T73 540 475 10 146 - 7050 T74 510 450 13 142 - 7075 T6, T73 505 435 13 - 150 7475 T7351 505 435 14 - - 7076 T61 510 470 14 150 - 7178 T6, T651 605 540 10 160 150 Fonte: Infomet (2019) 37 Segundo Hatch (1990) as ligas Al-Zn-Mg tem um teor reduzido de zinco e magnésio com pequenas adições de manganês, cromo, titânio e zircônio. Com isso essas ligas conseguem manter uma alta resistência mecânica mesmo com taxas de resfriamento lentas, permitindo que elas sejam utilizadas na fabricação de peças mais espessas e reduz as distorções residuais. 4.4 LIGAS AL-MN Segundo Hatch (1990) as ligas de Al-Mn não podem ser endurecíveis por precipitação, não tendo nenhum ganho de dureza por meio de tratamento térmico, sendo possível endurece-las apenas por meio de encruamento. Como o manganês altamente resistente ele é muito usado para combinar-se com outras ligas buscando uma maior resistência através da formação de fases intermetálicas, e por meio de endurecimento por solução sólida. Tabela 5: Propriedades mecânicas: ligas Al-Mn. Liga Limite de resistência mecânica (MPa) Limite de resistência ao escoamento (MPa) Alonga- mento (%) em 50 mm Dureza Brinell Limite de resistência à fadiga (MPa) 3003 recozida 110 40 30 28 50 3003 encruada (H18) 200 185 4 55 70 3004 recozida 180 70 20 45 95 3004 encruada (H38) 285 250 5 77 110 38 3104 encruada (H19) 290 260 4 - - 3005 recozida 130 55 25 - - 3005 encruada (H18) 240 225 4 - - 3105 recozida 115 55 24 - - 3105 encruada (H18) 215 195 3 - - Fonte: Infomet (2019) Quando usado em quantidades abusivas, ele pode tornar as ligas menos dúcteis, atrapalhando assim a propriedade original da liga metálica. Segundo Baldam e Vieira (2014) essas ligas são muito utilizadas para a fabricação de panelas e de latas de bebidas, tendo um papel de extrema importância comercialmente. As ligas de Al-Mn têm propriedades mecânicas superiores ao alumínio puro, além de possuir uma maior resistência a corrosão, porém é um material menos dúctil. 4.5 VANTAGENS DO ALUMINIO NA FUNDIÇÃO Segundo Rennó (1987) o alumínio é um dos materiais mais versáteis encontrado no mercado, estando presente na maioria das indústrias, e, portanto, é um dos principais materiais utilizados para a produção de artigos de metal. As propriedades das ligas de alumínio oferecem excelentes condições para a produção de grandes quantidades de peças mantendo uma qualidade uniforme. O alumínio tem uma série de vantagens quando utilizada nos processos de fundição em relação a outros tipos de metais que são usualmente utilizados nos processos. 39 Destacam-se o baixo momento de inercia e o baixo peso, esse é um requisito importante para peças com movimentos lineares ou rotacionais e acelerações e desacelerações rápidas, como é o caso de equipamentos de transporte de alta velocidade, permitindo a combinação dessas duas características (ABAL, 2004). Uma grande qualidade no emprego das ligas de alumínio na fundição é a produção de peças com alta ductibilidade e uma boa resistência a fadiga, permitindo que ela tenha uma longa vida útil sem afetar a sua qualidade inicial. As ligas de alumínio também destacam se por possuir uma alta condutividade térmica, e são muito empregadas nos motores a combustão devido a essa característica de excelência. Essa propriedade também tem possibilitado diversas outras aplicações. (HATCH, 1990). As ligas produzidas com alumínio têm uma qualidade essencial procurada por grande parte indústria da fundição, que é a resistência a corrosão e a boa deformação das peças produzidas com esse material. A corrosão é um grande problema encontrado em grande partedos materiais utilizados na fundição, um grande exemplo é o ferro fundido, que é um material altamente corrosivo, quando substituído pelo alumínio, o produtor ganha essa vantagem (AA, 2000). A alta deformação do alumínio é muito importante pois permite que a peça seja tensionada sem que aconteça uma quebra, evitando-se uma fratura quebradiça, são muito utilizadas em peças de segurança, como sistemas de freios e rodas de carros (ABAL, 2004). Uma das principais vantagens do alumínio além da sua versatilidade em poder ser aplicado em incontáveis áreas da indústria, é a sua economia, os projetos feitos com ligas de alumínio são cerca de 60% a 65% mais baratos do que quando são utilizados outros materiais, fazendo com que o alumínio ganhe um destaque cada vez maior (ABAL, 2004). Além disso destacam-se nas ligas de alumínio, a boa formação de bordas, resistência ao curto-circuito, a condutividade elétrica, capacidade de reflexão, não toxicidade, boa qualidade de fresagem, não é inflamável, possui um bom balanceamento, uma boa absorção de vibração, além de ser facilmente reciclável (AA, 2000). 40 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS De acordo com os assuntos apresentados nos capítulos deste trabalho, pode- se refletir que o estudo das técnicas de fundição em ligas de alumínio , foram de muito valor para o leitor, pois permite uma análise técnica sobre as principais diferenças entre eles, tornando o leitor desta revisão bibliográfica capaz de apontar, que a técnica de fundição sob pressão vem ganhando cada vez mais destaque no mercado, que demostrou-se, ser uma técnica mais aprimorada em relação as outras estudadas. A fundição tem um papel de extrema importância na sociedade, e isso é bem evidenciado no estudo, permitindo-se com que o leitor tenha total capacidade de entender todo esse processo. A introdução, apresenta de forma sucinta, o básico da fundição, desde a sua criação. No capitulo 1, o leitor depara-se com diversas técnicas diferentes existentes na fundição para fundir ligas de alumínio, além disso, explicita todo o passo a passo do processo, permitindo-se um bom conhecimento de como funciona a fundição. No terceiro capitulo, aprofunda-se todo processo de fundição sob pressão, mostrando as vantagens e desvantagens, como é feito o processo, os cuidados que deve-se tomar, além de demonstrar a importância dessa técnica. No quarto e último capitulo observa-se o estudo sobre as ligas de alumínio, as características, e as suas vantagens, versatilidade, e aplicabilidade frente a outros materiais existentes no mercado. Assim conclui-se que não existe uma técnica de fundição perfeita, e todas possuem vantagens e desvantagens em relações as outras, porém como foi estudado ao longo do trabalho, a fundição sob pressão, possui uma alta gama de vantagens quando combinada com as ligas de alumínio, permitindo com que a qualidade e a quantidade de peças produzidas sejam muito boas, fazendo-se com que seja o principal processo utilizado na indústria automobilística. 41 REFERÊNCIAS AA, Aluminum Association. Sistema de designação do alumínio e ligas de alumínio trabalhado. Alloy and Temper Designation System for Aluminum – AA H35.1”. E.U.A., 2000. ABAL (Associação Brasileira do Alumínio). Fundamentos do alumínio e suas aplicações. São Paulo: ABAL, 2004. BALDAM, Roquemar de L. Baldam; VIEIRA, Estéfano A. Vieira. Fundição: Processos e Tecnologias Correlatas. São Paulo: Editora Érica Ltda, 2014. BAUMER, I.; GUESSER, W. L.; OLIVEIRA, C. G. 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