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FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 PROCESSOS DE FUNDIÇÃO AULA 3 FUNDIÇÃO EM AREIA PASSO A PASSO Moldagem Características da areia FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Fundição em Areia Passo a Passo – Diagrama completo passada em aula 1. Confecção do modelo - Essa etapa consiste em construir um modelo com o formato aproximado da peça a ser fundida. Esse modelo vai servir para a construção do molde e suas dimensões devem prever a contração do metal quando ele se solidificar bem como um eventual sobremetal para posterior usinagem da peça. Ele é feito de madeira, alumínio, aço, resina plástica e até isopor. 2. Confecção do molde - O molde é o dispositivo no qual o metal fundido é colocado para que se obtenha a peça desejada. Ele é feito de material 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. 3. 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. Pintura Fechamento 4. Fusão - Etapa em que acontece a fusão do metal. Composição da carga / analise química / Correção 5. Vazamento - O vazamento é o enchimento do molde com metal líquido. 6. Desmoldagem - Após determinado período de tempo em que a peça se solidifica dentro do molde, e que depende do tipo de peça, do tipo de molde e do metal (ou liga metálica), ela é retirada do molde (desmoldagem) manualmente ou por processos mecânicos. 7. Rebarbação - A Rebarbação é a retirada dos canais de alimentação, massalote e rebarbas que se formam durante a fundição. Ela é realizada quando a peça atinge temperaturas próximas às do ambiente. 8.Limpeza - A limpeza é necessária porque a peça apresenta uma série de incrustações da areia usada na confecção do molde. Geralmente ela é feita por meio de jatos abrasivos. Inspeção de Qualidade 9. (Recuperação por Soldagem quando aplicável) 9. Tratamento Térmico – Função do tipo de material que esta sendo conformado (ex Normalização para Aços C, Solubilização para inox austenítico, etc...) 10 Limpeza final FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 FUNDIÇÃO PASSO A PASSO –AREIA A matéria-prima metálica para a produção de peças fundidas é constituída pelas ligas metálicas ferrosas (ligas de ferro e carbono) e não-ferrosas (ligas de cobre, alumínio, zinco e magnésio). O processo de fabricação dessas peças por meio de fundição pode ser resumido nas seguintes operações: 1.Confecção do MODELO - Essa etapa consiste em construir um modelo com o formato aproximado da peça a ser fundida. Esse modelo vai servir para a construção do molde e suas dimensões devem prever a contração do metal quando ele se solidificar bem como um eventual sobremetal para posterior usinagem da peça. Ele é feito de madeira, alumínio, aço, resina plástica e até isopor. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 2.Confecção do MOLDE - O molde é o dispositivo no qual o metal fundido é colocado para que se obtenha a peça desejada. Ele é feito de material 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. Uma caixa de moldagem é uma estrutura de metal ou de madeira, na qual o molde é feito. Ela deve ser forte e rígida de modo a não distorcer quando ela é manipulada ou quando a areia é socada nela. Ela é constituída de duas partes principais, a tampa e o fundo, quando se quer aumentar a altura da caixa, secções intermediárias são adicionadas. Pinos e buchas alinham as secções de uma caixa, evitando desencontros ou moldes deslocados. 3.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. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Canais, maçalotes e resfriadores – eles estão estreitamente relacionados. A função de uma rede de canais de enchimento em um molde é levar o metal líquido até a cavidade do molde. A função do maçalote (alimentador) é armazenar metal líquido e fornecer esse metal para compensar a contração por solidificação em sessões espessas. A função do resfriador é fazer com que certas seções da peça solidifiquem antes de outras, auxiliando, por exemplo, a distribuir adequadamente o suprimento de metal líquido dos maçalotes. “Sistemas de Gitagem” Ventilações – são pequenos furos feitos perfurando-se a areia logo após a retirada do modelo, com um arame. A função da ventilação é permitir o escape de gases da cavidade do molde, a fim de evitar que os gases fiquem presos no metal, opondo-se à sua entrada. Processos de Moldagem 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 os processos manuais de enchimento, Jolt-squeeze- (sacudidela e aperto) e a moldação por impacto. Ainda o processo Disamatic que se diferencia por nao utilizar caixa e pode ser automatizado. Processo Manual – conforme video ProcessoJolt Squeeze Processo Jolt Squeeze FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Processo por impacto FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Passo 1 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: Inicialmente, a areia é colocada numa cavidade, entre as duas placas molde, quando a porta basculante se encontra fechada (passo 1). (a) 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 do desenho das placas molde Passo 2 FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 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 FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 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) . Maquina por trepidação-compressão-rotação-extração. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 AREIA E OUTROS INGREDIENTES DO MOLDE A função básica de qualquer material de moldagem é manter a forma da cavidade do molde até que o metal líquido se solidifique. Areia é o material de moldagem mais usado, particularmente para metais que fundem a temperaturas altas. Ele serve bem, porque ele é facilmente disponível, baixo em custo, pode receber forma com facilidade, em formas complicadas, e é capaz de suportar os efeitos do metal líquido. As partes principais de umaareia de moldagem são: os grãos de areia, os quais têm as propriedades refratárias necessárias para suportar o calor intenso do metal líquido; um material aglomerante, o qual pode ser argila natural ou adicionada, cereal etc; e que mantém os grãos juntos e água para coalescer os grãos e ligá-los em um material de moldagem plástico. As areias mais usadas em fundições são: sílica (SiO2) (produzidas pela decomposição do granito); Zirconita (ZrO2) e as de Olivina. Estas devem possuir as seguintes características e propriedades básicas: Estabilidade térmica e dimensional a elevadas temperaturas Distribuição de forma e tamanho de partículas adequado Não apresentar reatividade química com o metal fundido Não apresentar uma molhabilidade fácil com o metal em fusão Estar livre de substâncias de partículas de baixo ponto de função – pureza Apresentar composição uniforme Terem compatibilidade com os aglomerantes Estarem disponível a fatores de baixo custo Estar livre de produtos que gerem gases às altas temperaturas envolvidas FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Tipos de Areia de Moldagem. As areias naturais contêm apenas o aglomerante minerado com elas e são usadas da maneira que são recebidas. Elas têm as vantagens de manter o teor de umidade por longo tempo, tendo uma faixa larga de trabalho para umidade, e permitindo fáceis consertos e acabamento de moldes. Algumas vezes, é desejável mudar as propriedades de uma areia natural adicionando bentonita (uma argila aglomerante). Tal areia é conhecida como uma areia semi-sintética. As areias sintéticas são formuladas com vários ingredientes. A base pode ser uma areia natural com algum teor de argila ou uma areia lavada com toda a argila removida. Um aglomerante, tal como a bentonita, e água são adicionados. As areias sintéticas têm as seguintes vantagens sobre as areias naturais: tamanho de grão mais uniforme; refratariedade mais alta; moldabilidade com menos umidade; exigem menos aglomerante; controle mais fácil de propriedades e a necessidade de menor espaço de armazenagem, uma vez que uma espécie de areia pode ser suficiente para diferentes tipos de peças. Areia terrosa é alta em argila, tanto quanto 50% ou mais, e seca com alta dureza. A moldagem em terra é efetuada fazendo o molde, usualmente para uma peça grande, de tijolos cimentados, e revestindo com areia terrosa e então secando. PROPRIEDADES DA AREIA A maneira pela qual uma areia se comporta em um molde para produzir peças boas pode ser ensaiada e depende principalmente da sua permeabilidade a verde, resistência a verde, e resistência a seco. Essas propriedades são determinadas principalmente pela finura do grão, forma do grão, teor de argila/aglomerante e teor de umidade da areia. Outras propriedades de influência menor são resistência a quente, ponto de sinterização, deformação e colapsibilidade. Permeabilidade a verde. Permeabilidade é a porosidade das aberturas entre os grãos. Estas dão passagem ao ar, a gases, e ao vapor, para escaparem, quando o metal líquido é vazado no molde. A permeabilidade é medida por um ensaio comum, passando uma quantidade definida de ar através de um corpo de prova sob condições especificadas. Assim, o número da permeabilidade é maior quando a areia é mais porosa. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Areia Base - É o que define a qualidade superficial da peça e o comportamento do molde a temperaturas elevadas. É obtida através de minerais ou de forma sintética. Um fator essencial é o pH que sempre tem de ser monitorado. A granulometria média é de 0,05 mm a 2 mm (peneiras 10 a 27 0). Como vimos, há diversos tipos de areia de base, entre elas destacam-se: Areia de Sílica (óxido de silício - SiO2) As areias de sílica são constituídas quase exclusivamente por quartzo, cuja densidade é 2 ,65 e cujo ponto de fusão é de 1726° C. Vantagens: É obtida com u m teor de impureza mínimo; pela abundância de silício na crosta terrestre e facilidade de purificação, é muito mais barata; Desvantagens: Tem uma elevada expansão térmica; tem reatividade com alguns metais e ligas; pode causar uma do ença denominada silicose. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Areia de Cromita (FeOC r2O3) O mineral cromita, FeO.Cr2O3, qu e contém 68% de Cr2O3, raramente ocorre isolado e os minérios de cromo conhecidos como cromitas são, na realidade, soluções sólidas de Fe, Cr e Mg com O. Vantagens: É a mais refratária entre as areias mais utilizadas; alto ponto de fusão (cerca de 2180 °C); comportamento químico neutro; Desvantagens: Existem poucos locais de obtenção desta areia no mundo, portanto, é mais cara.. Areia de Zirconita (silicato de zircônio – ZrO2SiO2) A zirconita é um silicato de zircônio, ZrO2.SiO2. O mineral puro (estequiométrico) contém 67,2% de óxido de zircônio e 32,8% de óxido de silício. Seu ponto de fusão é de 2550°C e sua den sidade 4, 7 A. Vantagens: É mais refratária e apresenta a menor expansão térmica entre as areias mais u tilizadas; é menos reativa com outro s metais, particularmente com o ferro ; Desvantagens: É mais cara, pois este tipo de areia não existe em abundância; sua alta densidade faz com que se gaste mais dessa areia para se fazer um molde. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Areia de olivina – Forsterita (2MgO. SiO2) e Faialita (2 FeO.SiO2) A olivina é u m mineral constituído essencialmente por ortossilicato de magnésio e ferro. As variedades mais comuns têm coloração verde-oliva, donde decorre a sua denominação. Vantagens: propriedades intermediárias se comparadas aos outros tipo s de areia, não apresenta problema de pneumoconiose (do tipo silicose). Desvantagens: propriedades intermediárias se comparadas aos outros tipos de areia; tem a refratariedade mais baixa entre as areias mais utilizadas; material frágil Areia de Chamote. Pode ser obtida da calcinação de certas argilas a altas temperaturas de modo a formar blocos sinterizados, que depois são britados e classificados, como também de misturas de refratários granulados obtidas da britagem de cadinhos e tijolos refratários Vantagens: uma alternativa interessante para a sílica, quand o se trata de fundir grandes peças em aço ou em ferro fundido, O emprego de areias de chamote diminui consideravelmente o risco de ocorrência de defeitos devidos à expansão Desvantagens: deve ser aglomerada com uma argila compatível (argila refratária), de modo que uma não atue como fluxante a altas temperaturas. Do ponto de vista de difusividade térmica, as areias de chamote deixam a desejar, devido à baixa densidade e à baixa condutividade dos grãos FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Preparação da areia de fundição Areia Verde É a areia mais barata e mais utilizada nos processos de fundição por gravidade. Recebe este nome por ser uma areia que contém umidade , assim como a madeira úmida é chamada madeira verde. Embora toda areia aglomerada com argila seja moldada no estado úmido e, portanto, a verde, costuma-se usar o termo moldagem em areia verde quando os moldes não sofrem secagem ates do vazamento. Tratamento com CO2 - O tratamento com CO2 pode ser feito em areia verde para o endurecimento do molde . Areia Seca Este tipo de areia pode ser: semissintética ou sintética. No processo de fundição passa por secagem que deixa o molde mais rígido . Daí temos a s seguintes denominações: Moldes de areia estufada (quando a secagem é feita em estufa), moldes secos ao ar (quando os moldes sofrem uma secagem superficial, por evaporação, em condições normais) e moldes secos a chama ou com ar aquecido (em que a secagem superficial é acelerada pelo aquecimento com chama ou ar aquecido ). FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Areia Cimento - Baseada em areia siliconada, cimento portlande água. Possui bom acabamento e é muito utilizada com peças de grande porte. Areia de Macho – É uma areia que contém óleo de macho , óleo de linhaça (secativos), elementos orgânicos e bentonita. Necessita de secagem em estufas. Areia para Shell Molding - Mistura-se areia e resina sintética (aglomerante). Tem o melhor acabamento entre os processos que envolvem areia. Necessita de secagem em estufas. Veremos mais a frente. Por características geométricas dos grãos de areia entendem-se principalmente o tamanho médio dos grãos, a distribuição granulométrica e a forma do s grãos; (algumas fundições estabelecem restrições também quanto à textura dos grãos). O tamanho médio do s grãos e obtido a partir da distribuição granulométrica e corresponde à média ponderada dos tamanhos observados. Na realidade, para exprimir o tamanho médio de grãos de uma areia, utiliza-se o Módulo de Finura que é uma aproximação desse conceito, como veremos a frente. Módulo de finura - Soma das porcentagens retidas acumuladas em massa de um agregado, nas peneiras da série normal, dividida por 100 FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Outros materiais constituintes das areias: argila, bentonita, aglomerantes orgânicos, óleos e Resinas. Aglomerante - É o material cuja finalidade é promover a ligação entre os grãos da areia base, dando certa resistência e moldabilidade ao material resultante. Uma areia de fundição pode conter mais de um tipo de aglomerante, dependendo do resultado requer ido para a peça. Aglomerantes mais utilizados Argila (principalmente bentonita) – Garante uniformidade ao material; Dextrina – Fornece maior resistência mecânica ao molde quando este é seco em estufa; Farinha de milho gelatinizado (Mogul) – Melhora a trababilidade da areia; Breu em pó – dá à areia seca grande resistência mecânica Aditivos - Materiais adicionados à areia de fundição para suprir a necessidade de certa propriedade que não foi possível ser obtida através da areia base, do aglomerante e da água, no caso da areia verde. Os aditivos podem suprir: Deficiências no processo de mistura que levam a insuficiência de dispersão de argila e água sobre os grãos de areia; Influir nas interações entre a superfície do molde e o metal líquido, eliminando as reações metal-molde, aprimorando o acabamento superficial, evitando lavagens e inclusões de areia, etc.; Elevar a resistência a seco; Modificar propriedades a altas temperaturas; Facilitar a desmoldagem; Compensar os efeitos colaterais de outros aditivo s; FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Aditivos Orgânicos Carbonáceos: Pó de carvão (ou Carvão Cardiff), piches, resinas, asfaltos, que servem principalmente para evitar aderência da areia à peça; Celulósicos: Pó- de-madeira, que serve para consumir o oxigênio da cavidade do molde e para compensar a expansão térmica da areia; Amidos e Dextrinas: Aumentam a plasticidade sem grande prejuízo à resistência a compressão, aumentam a resistência e reduzem os efeitos da expansão térmica. Pó-de-sílica e o óxido de ferro: aditivos inorgânicos mais utilizados p ara adicionar alguma resistência e/ou plasticidade a quente e formar uma massa semilíquida que preencha os vazios e impeçam a penetração de metal; etc. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Caracteristicas A finura do grão é medida passando-se areia através de peneiras padrão, cada uma delas com um número determinado de aberturas por polegada linear. Areias comerciais são formadas de grãos de vários tamanhos. O tamanho de grão de uma areia é designado por um número que indica o tamanho médio, assim como as proporções de grãos menores ou maiores na mistura. Este número é determinado por um processo descrito nos manuais. Os grãos mais finos, em um molde, dão um acabamento mais suave à peça. Por outro lado, a permeabilidade diminui à medida que os grãos diminuem e, em conseqüência, os vazios entre os grãos ficam menores. A mesma condição resulta de uma grande proporção de grãos finos numa mistura. O melhor compromisso deve ser atingido. Para peças grandes, que exigem areia grossa para alta permeabilidade, a superfície da cavidade do molde pode ter uma camada fina de uma areia fina de faceamento. Há duas formas distintas de grãos de areia: angulares e arredondados, com muitos graus de, arredondamento e de angularidade entre os dois extremos. Grãos angulares pontudos não podem se juntar tão completamente e, em conseqüência, dão uma permeabilidade maior do que grãos arredondados. Isso é mostrado na figura abaixo. Tanto o tipo como a quantidade de um aglomerante tem um efeito decisivo sobre a permeabilidade de uma areia. Uma ilustração das permeabilidades produzidas por dois tipos comuns de argila é mostrada na figura acima. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Para uma larga faixa de teor de umidade, a bentonita dá permeabilidade maior do que a argila refratária. A permeabilidade pode diminuir com um acréscimo no teor de argila, como mostrado pela curva de 2% de umidade, para a bentonita, na figura abaixo. A curva superior, para o teor de 4% de umidade, indica uma permeabilidade bastante constante para uma larga faixa de teor de bentonita. Em geral, o teor de argila é ótimo quando presente até o ponto de revestir completamente as partículas de areia, sem encher os espaços entre os grãos. Com um baixo teor de umidade, as partículas finas de argila obstruem espaços entre os grãos, e a permeabilidade é baixa. Mais umidade amolece e aglutina a argila em tomo dos grãos, para condições ótimas. Um excesso de umidade enche os vazios e diminui a permeabilidade. Picos de permeabilidade máxima são vistos na figura acima. O teor ótimo de umidade não é o mesmo para todas as areias de moldagem, embora ele geralmente esteja entre 2% e 8%. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Resistência a verde. A resistência a verde é a resistência de uma areia pronta para a moldagem, e, se o metal é vazado imediatamente, representa a capacidade da areia de manter a forma do molde. A resistência a verde é expressa em libras por polegada quadrada exigidas para quebrar um corpo de prova padrão. Quanto mais finos os grãos de areia, tanto maior a área de superfície de um dado volume, e maior a quantidade de aglomerante necessária para recobrir essa área. Os contactos e ligações entre grãos são mais numerosos, e assim a resistência a verde é mais alta com grãos mais finos. A figura mostra que à medida que o tamanho de grão fica maior, a resistência a verde diminui sob condições normais. Grãos arredondados se compactam muito mais estreitamente do que grãos angulares, e como resultado ficam ligados com uma resistência a verde mais alta do que os grãos angulares. Uma comparação para os dois tipos de grão é dada na figura abaixo. Alguns aglomerantes dão uma resistência a verde mais alta do que outros. Comparação entre a bentonita e argila refratária a diferentes níveis de umidade é apresentada na figura ao lado. A resistência a verde aumenta em proporção com a quantidade de aglomerante em uma areia de moldagem, mas, como acentuado anteriormente, aglomerante demais é nocivo à permeabilidade, e um compromisso deve ser encontrado. O efeito da umidade sobre a resistência a verde é semelhante ao efeito sobre a permeabilidade. A resistência a verde aumenta com as primeiras adições de umidade, atinge um máximo, e então começa a decrescer como mostrado na figura abaixo. Também é mostrado que um excesso de umidade tem um efeito de enfraquecimento, anulando mesmo a influência do tamanho de grão. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Além de outros fatores, a prática de moagem e trituração ou prática de mistura afeta a resistência a verde, como será explicado na seção sobre preparação de areia. Resistênciaa seco. Resistência a seco é a resistência da areia, que foi seca ou estufada. De um modo geral, a resistência a seco varia da mesma maneira que a resistência a verde, com a finura do grão, a forma do grão, e o teor de umidade. Entretanto, diferentes aglomerantes podem afetar a resistência a seco e a resistência a verde, diferentemente. Controle de areia. Muitas substâncias são adicionadas a areias de moldagem a fim de conferir certas propriedades ou de alterar propriedades. Cereal (tal como trigo e farinha de milho), dextrina, resina e substâncias semelhantes são muitas vezes adicionadas para aumentar ou modificar os aglomerantes argilosos. É importante compreender que a ação de cada aditivo é um tanto diferente. A farinha de milho melhora a resistência a verde levemente, mas a resistência a seco acentuadamente. A farinha de trigo melhora a colapsibilidade. Aglomerantes de dextrina é uma espécie de açúcar e produz uma resistência a seco muito mais alta do que os aglomerantes de cereal, mas diminui a resistência a verde. Um macho aglomerado com resina tem uma superfície dura quando estufado, mas absorve umidade ao ar e deve ser usado tão logo quanto possível. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 O aglomerante é ‘queimado’ e a proporção de partículas finas é aumentada quando a areia de fundição é exposta ao calor do metal líquido. Como resultado, a resistência a verde e a permeabilidade diminuem à medida que a areia é reusada. Medindo as propriedades periodicamente, com equipamento de ensaio de areia, um técnico em areia é capaz de fazer adições adequadas para restaurar a areia antes que ela se deteriore a um ponto em que ela tenha que ser jogada fora. Propriedades uniformes podem ser mantidas dia a dia por verificações contínuas e por adições de pequenas quantidades de aglomerante. Preparação da areia. Sob um microscópio, vê-se que os grãos de areia são grupos de partículas pequenas, aderentes a partículas grandes. Supõe-se que isto seja resultado principalmente de uso anterior (reciclagem). Grupos de partículas são menos refratários e mais duros de socar do que partículas individuais e necessitam ser quebrados, particularmente para preparar areia para machos e para areias de face. Mesmo assim, a ruptura das partículas aglomeradas é desejável para todas as areias e é usualmente feita agitando e amassando-as mecanicamente. Uma máquina para esse fim é o misturador o qual amassa, cisalha, retalha, e agita a areia em um recipiente de ferro, por meio de diversos rolos giratórios e facas. O tempo necessário para a mistura dependência do tipo de misturador e do tipo e quantidade do aglomerante. Após se atingir o tempo ótimo em cada caso, não há aumento adicional na resistência a verde, como se vê no exemplo da figura anterior. A areia misturada distribui o aglomerante sobre os grãos. Assim, necessita-se menos aglomerante para uma resistência a verde satisfatória, a permeabilidade é mais alta do que com areia misturada a mão. A areia é aerada para torná-la fofa, de modo que ela escoe com facilidade e adote os detalhes do modelo. Isso é feito, em alguma proporção na mistura. Um dispositivo para aeração é um jato de areia, que lança a areia de uma correia em movimento rápido contra barras ou molas, a fim de quebrar os grãos. As areias são misturadas com os ingredientes e pelos métodos descritos, usando-se fórmulas diversas para vários metais e para várias finalidades. Para peças de aço, por exemplo, pode-se empregar três tipos de areias: areia verde para faceamento; areia verde para enchimento; areia de faceamento a ser secada superficialmente, no molde, por um maçarico. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Areia de machos. Areia para machos deve ter as propriedades já citadas de permeabilidade, coesão e refratariedade, como a areia de moldagem, mas deve também possuir colapsibilidade e friabilidade. Colapsibilidade significa que o macho cede facilmente quando a peça resfria e se contrai, a fim de evitar trincas a quente e fissuras no metal. Friabilidade significa que o macho se desintegra quando ele deve ser removido da peça. Essas propriedades são conferidas pelo tipo e pela quantidade do aglomerante, pelos aditivos ao aglomerante, e pela cura dos machos. Se ocorrerem fissuras, por exemplo, na região vizinha a um macho, pode-se usar um aglomerante mais fraco, ou menos aglomerante, ou então uma pequena quantidade de serragem pode ser adicionada ao aglomerante. Misturas de areias de macho são iniciadas com areia seca limpa. Entre diversos aglomerantes usados para areia de macho estão farinha de milho, dextrina, óleo de peixe, óleo de linhaça e óleos comerciais. O óleo de linhaça é um constituinte da maioria dos óleos comerciais. Pode-se fazer uma longa lista de aglomerantes, cada uma para conferir uma propriedade particular ao macho. Fórmulas para várias finalidades são dadas em livros de consulta e manuais. À medida que os ingredientes são adicionados, a areia é misturada completamente em um misturador, mas não excessivamente, o que poderia causar aderência. Um desenvolvimento em anos recentes foi o emprego de silicato de sódio como um aglomerante para machos. Após o macho receber a forma, ele é exposto a dióxido de carbono. Isto precipita um gel de sílica que endurece o macho em uma fração de minuto, e elimina a necessidade de estufagem. O macho pode ser usado no molde imediatamente. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 MOLDAGEM EM AREIA A VERDE : AREIA BASE + AGLOMERANTE + ÁGUA + ADITIVOS Areia Base ⇒ constituinte granular refratário Aglomerante ⇒ Bentonita (argila) ⇒ ação de ligação entre os grãos da areia base ⇒ recobrimento dos grãos Água ⇒ ligações químicas ⇒ “aglomeração” do s grãos, propicia a obtenção de “moldabilidade PEP SET Fundição com areia aglomerada quimicamente É o processo de fundição na qual o molde para a peça a ser solidificada é estruturado a partir de areia ligada com resinas químicas, normalmente orgânicas. Existem diversos tipos de resina, entre elas a fenólica-uretânica, muito empregada na indústria e com características particulares para a fabricação de moldes. Para a cura desses moldes, ou seja, o processo que transforma o composto em sólido, normalmente é feita através da adição de um catalisador, quando se trata de areias ligadas quimicamente. O conjunto de resinas, areia base e catalisador, comercialmente, recebem um nome específico. Por exemplo, o conjunto que utiliza areia de sílica, resina fenólica-uretânica e Solução de N-metil Imidazol como catalisador é conhecido como processo de moldagem Pep Set, ou Pep Set Quantum FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 ODS Regeneração de areias usadas em processo de moldagem para fundição Após o processo de fundição, ou seja, depois do vazamento do metal líquido dentro do molde de areia e aglomerantes, a peça é obtida através da quebra da estrutura do molde. Dessa forma, o molde torna-se torrões de grãos aglomerados, e que posteriormente, passam por uma calha vibratória, denominada destorroador, a fim de desfazer os aglomerados e tornar a areia granular novamente. O processo no qual o molde passa desde sua desestruturação até o destorroador é conhecido industrialmente como recuperação, e é a primeira etapa da regeneração da areia . Entretanto, no caso dos moldes que utilizam areia aglomerada com resina fenólica uretânica, após o processo de recuperação, os grãos de areia se encontram contaminados com a resina, que forma uma "casca" de resíduo em torno de cada grão, acarretando no aumento do seu diâmetro médio e mudando, inclusive, sua aparência visual. Segundo a NBR-10004, Resíduos Sólidos - Classificação, que classifica os resíduos sólidos quanto a sua periculosidade, inclusive as areias oriundas de fundição, as areias ligadas quimicamente, em geral, são consideradas Resíduo Classe I - Perigoso(ABNT, 2004), e isso atinge as areias contaminadas com resina fenólica-uretanica. Dessa forma, as areias recuperadas não podem ser descartadas convencionalmente, exigindo da empresa produtora do resíduo, um investimento em descarte adequado. Para o descarte correto do resíduo é necessário um aterro especializado. Então, como forma alternativa ao descarte da areia usada na moldagem, visando a sua reciclagem, diminuindo os gastos econômicos e os impactos ambientais, são estudadas diferentes formas de devolver as características físicas e químicas de areia nova à areia que já foi utilizada na moldagem por cura a frio. Esse processo chama-se regeneração e consiste na limpeza dos grãos, ou a separação da casca de resina do material granular. Os principais tipos de regeneração de areias usadas em moldagem de fundição existente até então são: químico, mecânico e térmico FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Regeneração Química É o processo na qual os grãos são reciclados a partir da oxidação da resina. Embora tenha sua altíssima qualidade comprovada, em questão de capacidade de limpeza, a regeneração química ainda apresenta um custo muito elevado e o descarte pós-processo não é de fácil acesso. A eficiência do processo de regeneração química varia entre 94 e 99% de limpeza dos grãos . Regeneração Mecânica Esse processo utiliza a força física para que os grãos quebrem e a casca se torne farelos. Funciona como uma continuação do destorroador e se aproveita do atrito entre os próprios grãos e as paredes do equipamento para cumprir sua função. É o menos eficiente em comparação com os outros processos, porém é o mais barato e o mais empregado. Sua eficiência é afetada pela formação de grãos "finos", causados pela quebra dos grãos. Com isso, seu percentual efetivo varia de 75 a 88% . Regeneração Térmica É o processo na qual a resina contaminante dos grãos é separada da areia através do aquecimento. A resina possui uma característica importante para esse processo que é sua capacidade de volatilização, dessa forma, utiliza-se calor para tornar a resina um vapor e separar-se dos grãos, agora limpos. Processo eficiente para PEP SET. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Caracterização de areias de fundição Teor de Umidade como vimos acima Distribuição granulométrica e Módulo de Finura A determinação da distribuição granulométrica é dada pela relação percentual da massa de amostra retida em cada peneira. Com isso, obtém-se um gráfico representando os diâmetros médios dos grãos, a quantidade de grãos grosso e a de grãos finos, como mostra a FIG No caso das areias regeneradas, percebe-se uma mudança sutil no percentual de grãos entre 0,1 e 0,2 que apresenta um aumento em quantidade, além disso, a ausência de finos é um fator positivo e a pequena quantidade de grãos grossos, assim como nas areias bas FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Geometria granular A geometria granular é a propriedade dos grãos mostrada através de microscópio. Como vimos os grãos podem ser arredondados, sub-angulares, angulares ou mistos. Dessa forma, grãos angulares são impróprios para fundição, e são aqueles cujo grão apresenta arestas com ângulos agudos entre si. Os processos de contaminação, de recuperação e de regeneração afetam a geometria dos grãos de areia. Dessa forma, a cada processo a areia apresenta arestas e ângulos cada vez mais agudos, e com isso sua vida útil vai se reduzindo. A Figura mostra a comparação entre as microscopias óticas de areias novas e regeneradas, a fim de mostrar a sutil formação de arestas nos grãos de areia regenerada Massa Específica A massa específica para uma areia a ser utiliza em moldagem e macharia de fundição deve ser a maior possível, pois essa propriedade interfere na capacidade térmica do material, podendo causar ou evitar defeitos à peça fabricada FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Perda ao Fogo Essa propriedade indica a perda de massa do material quando exposto à uma temperatura determinada. Além disso, essa característica mostra a quantidade de materiais carbonáceos no composto. O ensaio é regido pela norma da ABIFA CEMP - 120, e é feito em um forno e com cadinhos refratários. Primeiramente, as amostras devem ser secas em estufa e então pesadas - a amostra de material em cada cadinho deve ser de 1 ± 0,05 gramas. Dessa forma, as amostras são expostas à temperatura de 900 ºC ± 10 ºC. Depois de retirada do forno, a amostra deve ser pesada novamente e obtém-se o valor da perda ao fogo a partir da seguinte fórmula: Assim, a perda ao fogo é obtida em percentual, na qual PF é o valor da perda ao fogo; Ma é a massa da amostra e Mp é a massa do resíduo pós-aquecimento. Permeabilidade e Resistencia como vimos anteriormente FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 SISTEMAS DE GITAGEM (CANAIS) O sistema de gitagem de uma peça de fundição é constituído por um conjunto de canais e elementos externos à peça fundida os quais permitem fazer: o vazamento do metal líquido na cavidade da moldação - sistema de gitagem de enchimento; após a moldação estar cheia, para compensar a contração do metal da peça – sistema de alimentação. Uma moldação deve ter um sistema de gitagem constituído por canais através do qual o metal em fusão irá fluir para preencher a cavidade da moldação, ou molde, onde peça vazada irá solidificar. Estes canais constituem os denominados gitos de enchimento. Além destes é necessário projetar outro sistema de gitos para promover a alimentação de metal líquido em fusão destinado a compensar em metal líquido as contrações que se verificam durante o arrefecimento da peça e assim evitar que esta fique com chocos (vazios e rechupes); são os gitos de alimentação. Para determinar a seção mínima dos canais de enchimento é necessário conhecer o volume total de metal que neles irá circular, faz-se então, o estudo do sistema de gitagem de alimentação para determinar, a partir do volume da peça, o volume de metal destinado à função da alimentação. O projeto do sistema de gitagem de alimentação tem por finalidade compensar a contração metálica durante o processo de arrefecimento e solidificação, só depois se irá projetar o sistema de gitagem de enchimento. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Para determinar a seção mínima dos canais de enchimento é necessário conhecer o volume total de metal que neles irá circular, faz-se então, o estudo do sistema de gitagem de alimentação para determinar, a partir do volume da peça, o volume de metal destinado à função da alimentação. O projeto do sistema de gitagem de alimentação tem por finalidade compensar a contração metálica durante o processo de arrefecimento e solidificação, só depois se irá projetar o sistema de gitagem de enchimento. O projeto da gitagem considerada de um modo restrito é a solução do problema do estabelecimento do número, forma, dimensões e localização dos gitos, de tal modo que no conjunto da série de peças a ser produzida se atinja a maior economia. Esta otimização dos custos deve fazer-se em dois pontos: No aproveitamento do metal vazado No aproveitamento do trabalho de moldação Rendimento Metálico O valor quantificado de otimização pode ser definido pelo aproveitamento unitário, por peça, do metal vazado como sendo o quociente entre o peso do material da peça depois de limpa e o peso da peça com gitos, depois de extraída da moldação. O mais importante não é o aproveitamento unitário, mas sim o aproveitamento global que é o quociente do peso de todas as peças limpas, sãs, da série, pelo peso total do metal vazado. Geralmente a gitagem mais econômica não é a que conduz ao menor número de peças perdidas porque isto se consegue normalmente à custa do aumento muito grande do volume dos gitos e isto se traduz num aproveitamentoglobal inferior. É necessário estabelecer um compromisso entre o número de peças perdidas e o volume dos gitos calculados no projeto. O projeto dos sistemas de gitagem engloba o estudo de todas as medidas convergentes para a obtenção de peças sãs. Depois de escolhida a liga metálica e o traçado da peça a obter contando com possíveis alterações de espessuras, devem ser estudados os materiais da moldação e o traçado dos alimentadores e canais de gitagem, com vistas à obtenção de peças sãs. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 SISTEMAS DE GITAGEM PARA ENCHIMENTO DAS MOLDAÇÕES É constituído por uma rede de canais, através dos quais o metal líquido é introduzido e escoa até preencher a cavidade da moldação, onde o metal pode então solidificar até tomar a forma desejada. Os componentes de um sistema de gitagem simples são uma bacia de vazamento ou sortilha, que proporciona a abertura para a introdução do metal líquido com um dispositivo de vazamento, normalmente uma colher de transporte do metal fundido. O metal líquido segue pela coluna de enchimento até se ir juntar a um ou mais canais os quais distribuem FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 SISTEMA DE GITAGEM PARA ALIMENTAÇÃO DAS MOLDAÇÕES Como a forma geométrica da peça fica definida assim que solidifica a primeira camada exterior, metal líquido interior vai compensando sucessivamente a contração correspondente à solidificação das várias camadas, havendo no final da solidificação uma contração do metal não compensada em metal líquido – rechupe – que provoca um ou vários vazios, nas zonas que arrefecem em último lugar (pontos quentes). O problema da porosidade de contração pode ser resolvido pelo controle do padrão de solidificação e dos gradientes térmicos para que os vazios fiquem fora da geometria da peça vazada. Para eliminar este efeito ligam- se à peça reservatórios que serão também cheios de metal, o qual deverá permanecer líquido durante todo o processo de solidificação da peça, de modo a poder abastecer os pontos em que iria verificar-se uma falta de material. Estes elementos denominam-se ”alimentadores” ou “massalotes”, os quais terão de ser colocados na vizinhança das zonas da peça onde poderia ocorrer o aparecimento de rechupes, e deverão ter um tempo de solidificação superior ao da peça. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Tipos de Alimentadores No estudo do sistema de alimentação devem ser verificados quatro pontos: Quantos alimentadores serão necessários para assegurar uma alimentação correta. Onde deverão ser localizados esses alimentadores para que possam funcionar corretamente e após solidificação possam ser removidos tão economicamente Qual a forma e dimensão a atribuir aos alimentadores para que funcionem corretamente e economicamente tenham dimensões mínimas Como garantir que os alimentadores conservem metal líquido durante mais tempo que na peça Utilizam-se dois tipos básicos de alimentadores: O alimentador de topo ou atmosférico, situado a uma cota superior à da peça e cuja superfície se encontra em contato com a atmosfera. O alimentador cego, totalmente embebido na moldação. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Localização dos Alimentadores Analisando a forma de peça, verificam-se quais os elementos que poderão ser alimentados adjacentes. Escolhe-se a posição de vazamento e o sistema de gitagem (canais), visando a criação de condições favoráveis à alimentação. Projeta-se tendo em vista que o metal mais frio seja levado para as zonas que devem solidificar em primeiro lugar, e promove-se o aquecimento das zonas que deverão solidificar em último lugar por passagem de uma massa considerável de metal fundido. A determinação dos pontos quentes é feita aplicando aos métodos de Heuvres, inscrevendo nas secções em dúvida um círculo tangente ao contorno da secção. Uma secção será tanto mais quente quanto maior for o círculo inscrito (ou o diâmetro da esfera). Raio de Ação dos Alimentadores A alimentação em metal líquido só se torna possível quando as linhas isotérmicas de início e de fim de solidificação não são paralelas em duas fases opostas. Como se pode ver na figura os extremos da peça possibilitam a evacuação direta de calor para a moldação em cinco faces da peça promovendo um arrefecimento rápido – efeito dos extremos. À medida que se consideram seções mais afastadas dos extremos, a ação arrefecedora do extremo deixa de fazer-se sentir, e a solidificação é mais lenta, tendendo as frentes de solidificação a ficarem paralelas porque o gradiente térmico, nessas zonas, se torna nulo. O alimentador exerce um efeito contrário, aumentando o gradiente térmico na sua vizinhança, pois que é uma face frente de calor que retarda a solidificação e elimina uma das faces de contato com a moldação. Vê-se na figura acima nas partes 1 e 3, devido ao efeito combinado do extremo e do alimentador, nunca as frentes de solidificação são paralelas, essas zonas resultarão compactas devido ao processo de solidificação ser dirigido para o alimentador, o qual consegue compensar com metal líquido o material contraído na peça. Na parte 2, pelo contrário, paralelismo das frentes em solidificação na zona intermediária, devido aos gradientes térmicos nulos existentes provocará rechupes dispersos devido ao fecho das dendritas na linha média da peça impedir a circulação de metal líquido do alimentador. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Defeitos típico das peças obtidas por fundição. Nesse quadro estão indicadas algumas soluções de projeto e outras práticas para evitar o aparecimento dos defeitos típicos. Exemplo MSS SP 55 Defeito Causa Básica Soluções de Projeto Soluções Práticas Bolhas e vazios Inclusões de gases Evitar sistemas de enchimento que tenham altas velocidades de vazamento -Aumentos canais -Eliminação de materiais que possam reagir originando gases -Desgaseificação Gotas frias e dobras Fluxos de metal líquido mal direcionados Fazer alterações nos canais da moldação e evitar mudanças de seção pouco graduais -Aumentar a velocidade de vazamento -Pré-aquecimento do molde Fissuras ou Fendas quentes Metal sob tensão térmica contrai e rompe Estudos dos gradientes térmicos -Controlar os gradientes térmicos -Usar arrefecedores Fissuras ou Fendas frias Metal após solidificação não pode contrair e rompe-se. Estudos dos gradientes térmicos -Controlar os gradientes térmicos -Usar moldes que não impeçam a contração Rebarbas Fluxo de metal líquido extra-vaza na junção da moldação. Nenhuma em particular -Diminuir a temperatura de vazamento -Aumentar fixação das caixas de moldação Inclusões de óxidos Materiais estranhos ficam no interior do material solidificado Melhorar a eficiência dos gitos de enchimento. -Maior cuidado e limpeza durante o vazamento Utilizar solidificação direcionada. Cavidades, rechupes e contrações Falta de alimentação e/ou baixa fluidez do metal Alterar o sistema de alimentação e/ou usar aquecimento localizado e/ou arrefecedores -Usar solidificação direcionada -Aumentar a temperatura de vazamento ../LIVROS/MSS SP-55-2011.pdf FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Gotas e trincas quentes - Descontinuidades lineares da superfície ou fraturas causadas por tensões internas ou externas ou uma combinação de ambos. Eles podem ocorrer durante ou após a solidificação. Rechupe Um vazio deixado no metal fundido como resultado de encolhimento de solidificação e resfriamento progressivo do metal, que é expostos ao cortar tirantes e portão Inclusões de Areia que ficam aprisionadas no metal fundido e se mostra na superfície do mesmo Porosidade de gás Vazios no metal fundido causados por aprisionamento de gás durante a solidificação Veiamento Características na superfíciedas peças fundidas aparecendo como uma crista e associado a movimento ou rachadura de areia Rabo de Rato Características na superfície das peças fundidas aparecendo como uma depressão resultante de falha ou flambagem do molde superfícies Rugas, voltas, dobras e gotas frias - Irregularidades superficiais causadas por fusão incompleta ou dobragem de superfícies de metal fundido Marcas de corte Irregularidades nas superfícies de fundição resultante de queima ou falha mecânica no corte de canais Crostas Manchas superficiais levemente elevadas que geralmente são crostas de areia por uma fina camada porosa de metal Chapelins Marcas de Suporte de machos Evidências de chapelins na superfície de fundição revelando fusão incompleta Áreas de reparo de solda Evidência de superfície inadequada por preparação após a soldagem Rugosidade da superfície Textura da superfície devido ao design, padrão, condições de passagem e areia... FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022 Vazamento na linha de moldação. 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, a uma 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. A técnica de vazamento tem de ser projetada para introduzir o metal fundido no molde. Têm de ser tomadas precauções para a libertação 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. FACENS – ENGa MECANICA PROCESSOS DE FUNDIÇÃO PROF. LUIS O. BELLIO @ 2022
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