Porosidade em peças de fundição sob pressão e como evitá

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Universidade do Estado do Amazonas 
 
 Aluno: Guilherme dos Santos Moreira 
 
 
Porosidade em peças de fundição sob pressão e como evitá-la 
 
Todos nós sabemos sobre os poros em nosso rosto ou a natureza porosa de coisas 
como madeira, que deixam o material aberto para invasores como água e bactérias - é 
por isso que muitos cozinheiros recomendam o uso de tábuas de plástico em vez de 
madeira para cortar frango cru. 
A porosidade também é uma grande preocupação na fundição, pois pode 
significar que há algum tipo de defeito no material com o qual você está trabalhando ou 
acabou de criar. A boa notícia é que a porosidade nem sempre significa que uma peça 
fundida está com defeito e que alterações precisam ser feitas. Uma inspeção completa 
pode mostrar que ele atende aos seus requisitos de estabilidade e integridade estrutural. 
 
O que é porosidade em fundição sob pressão? 
Essa porosidade é encontrada quando existem pequenos vazios orifícios ou bolsas 
de ar que são encontrados dentro do metal. 
Normalmente, essa porosidade ocorre quando o ar é preso no metal pela máquina 
de fundição sob pressão, muitas vezes deixando lacunas no topo da matriz ou enchendo 
um molde muito lentamente e tendo alguma solidificação ocorrendo muito 
cedo. Também pode ocorrer quando o ar usado para forçar o metal fundido para dentro 
do molde não é completamente forçado para fora ou é capaz de escapar por meio de 
respiradouros e transbordamentos. 
 
Causas de porosidade em fundição sob pressão 
 O design do molde e peças fundidas 
 A pureza do metal ou liga sendo usada 
 Pressão e velocidade de tiro das máquinas 
 Redução da espessura da parede do material 
 Muito lubrificante na matriz 
 Cantos agudos no molde 
 Baixas temperaturas do metal 
 Ar preso no metal 
 
A forma mais comum de verificar a porosidade é a radiografia do material, por meio de 
tomografia computadorizada ou cortando e polindo um corte e analisando ao 
microscópio. 
 
Métodos de Prevenção 
A porosidade varia em gravidade. Às vezes, é aceitável, mas na maioria das vezes 
é melhor limitá-lo o máximo possível. 
A maneira mais direta de controlar a porosidade é trabalhar com todos os seus parceiros 
para criar um processo eficiente de fundição sob pressão e, ao mesmo tempo, garantir 
que o material com o qual você está trabalhando seja de alta qualidade. O 
monitoramento do processo deve focar na manutenção e estabilidade do equipamento, o 
que pode ajudar a garantir uma quantidade uniforme e adequada de pressão ao longo da 
fundição. 
A porosidade do gás, que é a formação de bolhas de ar dentro de uma peça fundida à 
medida que ela esfria, pode ser evitada derretendo o material no vácuo ou em um 
ambiente de gases de baixa solubilidade, incluindo argônio. Essa porosidade ocorre 
porque os líquidos podem reter naturalmente o gás dissolvido. Às vezes, isso pode ser 
resolvido expondo o material derretido a outro gás - os dois gases reagem e puxam um 
ao outro para fora do líquido. 
Se a formação de óxido é a causa de sua porosidade, então seus materiais também se 
beneficiarão por serem adequadamente desgaseificados após a fusão ou filtrados antes 
de usar o metal para fazer a fundição. 
Rasgos e pontos quentes são defeitos metalúrgicos que ocorrem devido a problemas 
durante o resfriamento. Se isso ocorrer, primeiro você precisará verificar se a peça 
fundida está sendo resfriada adequadamente na área local da peça. Se os pontos quentes 
persistirem, você precisará ajustar as práticas de resfriamento por meio de mais spray de 
matriz ou adicionando mais canais de resfriamento localizados à área problemática. 
 
Lidando com Defeitos 
A porosidade descreve essencialmente buracos e vazios encontrados em uma peça 
fundida, embora você possa ouvir termos mais específicos quando se trata de vazios 
com base em diferentes formas, localizações ou frequências. Os defeitos e as causas 
(listados acima) podem ou não ter um impacto na eficácia geral do seu produto ou peça. 
No entanto, sempre estabelecemos uma meta para limitar os defeitos de porosidade ou 
removê-los quando possível. Isso significa analisar defeitos por várias causas. A 
fundição sob pressão pode ver a porosidade devido ao design, materiais usados para 
aquele design ou processo de fabricação - às vezes uma combinação de três. 
Nossa experiência em fundição sob pressão significa que podemos entender melhor seus 
materiais, projetos e peças, bem como os fatores do processo de fundição que têm maior 
probabilidade de causar diferentes tipos de defeitos. Isso nos permite prevenir muitos 
defeitos antes que eles ocorram. Também podemos ajudar no redesenho de elementos 
para lidar com áreas propensas a porosidade e transferi-los para locais que não afetarão 
a integridade estrutural. 
O processo de revisão de um fabricante de qualidade e prestador de serviços de fundição 
sob pressão normalmente detectará defeitos, embora você também possa descobrir 
alguns durante o processo de usinagem. É importante observar a localização, frequência 
e tipo de defeito para determinar o melhor caminho para resolver o problema. 
Seus parceiros devem trabalhar com você para determinar qual porosidade é 
aceitável. Quando você perceber um problema, forneça ao seu parceiro o máximo de 
informações possível e compartilhe o elenco sempre que possível para auxiliar na 
resolução do defeito. 
A American Society for Testing and Materials (ASTM) lista os padrões de porosidade 
em peças fundidas se você precisar de ajuda no desenvolvimento de seus próprios 
limites de tolerância. Os padrões podem ser encontrados no site da ASTM. 
 
Fundição em pares com usinagem 
Mover a fundição através de vários parceiros antes da usinagem pode significar 
que o custo da usinagem mais os tempos de envio acabaram. Você também pode 
economizar nos custos de teste porque uma matriz usinada pode usar inspeção de 
líquido penetrante, que é mais barata do que o teste de raios-X, para detectar defeitos de 
porosidade na superfície de sua fundição. 
https://www.astm.org/
https://www.astm.org/
Derretimento e Tratamento de Metal 
O alumínio e as ligas de alumínio podem ser fundidos de várias maneiras. Fornos 
sem núcleo e de indução de canal, fornos reverberatórios de cadinho e de lareira aberta 
alimentada por gás natural ou óleo combustível, e fornos de resistência elétrica e de 
radiação elétrica estão todos em uso rotineiro. A natureza da carga do forno é tão 
variada e importante quanto a escolha do tipo de forno para operações de fundição de 
metal. A carga do forno pode variar de lingotes pré-ligados de alta qualidade a cargas 
compostas exclusivamente de sucata de baixo teor. 
Mesmo sob condições ideais de fusão e retenção, o alumínio fundido é suscetível a três 
tipos de degradação: 
 Com o tempo na temperatura, a adsorção de hidrogênio resulta no aumento do conteúdo 
de hidrogênio dissolvido até um valor de equilíbrio para a composição e temperatura 
específicas. 
 Com o tempo na temperatura, ocorre a oxidação do fundido; em ligas contendo 
magnésio, as perdas por oxidação e a formação de óxidos complexos podem não ser 
autolimitadas. 
 Elementos transitórios caracterizados por baixa pressão de vapor e alta reatividade são 
reduzidos em função do tempo na temperatura; magnésio, sódio, cálcio e estrôncio, dos 
quais dependem as propriedades mecânicas direta ou indiretamente, são exemplos de 
elementos que exibem características transitórias. 
 
A turbulência ou agitação do fundido e o aumento da temperatura de retenção 
aumentam significativamente a taxa de solução de hidrogênio, oxidação e perda de 
elemento transiente. As propriedades mecânicas das ligas de alumínio dependem da 
solidez da fundição, que é fortemente influenciada pela porosidade do hidrogênio e 
inclusões não metálicas arrastadas. 
 
Influência do hidrogênio no alumínio 
O hidrogênioé o único gás apreciavelmente solúvel no alumínio e suas ligas. Sua 
solubilidade varia diretamente com a temperatura e a raiz quadrada da pressão. Durante 
o resfriamento e solidificação do alumínio fundido, o hidrogênio dissolvido em excesso 
da solubilidade sólida extremamente baixa pode precipitar na forma molecular, 
resultando na formação de vazios primários e/ou secundários. 
Os fluxos de escória são projetados para promover a separação da camada de escória 
de óxido de alumínio (Al2 O3) que se forma na superfície do metal fundido. As escórias 
e o metal líquido ou sólido são geralmente misturados na camada de escória. Os fluxos 
de escória são projetados para reagir com Al2 O3 na escória ou camada de escória e para 
recuperar o metal. Os fluoretos umedecem e dissolvem filmes finos de óxido de acordo 
com a reação geral. 
Fontes de hidrogênio. Existem inúmeras fontes de hidrogênio no alumínio. A umidade 
na atmosfera se dissocia na superfície do metal fundido, oferecendo uma concentração 
de hidrogênio atômico capaz de se difundir no fundido. O óxido de barreira de alumínio 
resiste à solução de hidrogênio por esse mecanismo, mas distúrbios da superfície 
fundida que rompem a barreira de óxido resultam na rápida dissolução do 
hidrogênio. Elementos de liga, especialmente magnésio, também podem afetar a 
absorção de hidrogênio, formando produtos da reação de oxidação que oferecem 
resistência reduzida à difusão do hidrogênio no fundido e alterando a solubilidade do 
líquido. 
Porosidade do hidrogênio. Dois tipos ou formas de porosidade de hidrogênio podem 
ocorrer no alumínio fundido. De maior importância é a porosidade inter-dendrítica, que 
é encontrada quando os teores de hidrogênio são suficientemente altos para que o 
hidrogênio rejeitado na frente de solidificação resulte em pressões de solução acima da 
atmosférica. A porosidade secundária (tamanho mícron) ocorre quando os conteúdos de 
hidrogênio dissolvido são baixos e a formação de vazios é caracteristicamente 
subcrítica. 
A porosidade de hidrogênio finamente distribuída pode nem sempre ser indesejável. A 
precipitação de hidrogênio pode alterar a forma e distribuição da porosidade de 
contração em partes ou seções de partes mal alimentadas. O encolhimento é geralmente 
mais prejudicial às propriedades de fundição. Em casos isolados, o hidrogênio pode 
realmente ser introduzido intencionalmente e controlado em concentrações específicas 
compatíveis com os requisitos de aplicação da peça fundida, a fim de promover a 
solidez superficial. 
Hidrogênio em solução sólida. A disposição do hidrogênio em uma estrutura 
solidificada depende do nível de hidrogênio dissolvido e das condições sob as quais 
ocorre a solidificação. Como a presença de porosidade de hidrogênio é resultado da 
nucleação e crescimento controlados por difusão, a redução da concentração de 
hidrogênio e o aumento da taxa de solidificação atuam para suprimir a formação e o 
crescimento de vazios. Por esse motivo, peças fundidas feitas em processos de molde 
descartáveis são mais suscetíveis a defeitos relacionados ao hidrogênio do que peças 
produzidas por molde permanente ou fundição sob pressão. 
Remoção de hidrogênio. Os níveis de hidrogênio dissolvido podem ser reduzidos por 
vários métodos, o mais importante dos quais é fundir com nitrogênio seco e 
quimicamente puro, argônio, cloro e freon. Compostos como hexacloroetano são de uso 
comum; esses compostos se dissociam em temperaturas de metal fundido para fornecer 
a geração de gás fundente. 
O fluxo de gás reduz o conteúdo de hidrogênio dissolvido do alumínio fundido por 
difusão de pressão parcial. O uso de gases reativos como o cloro melhora a taxa de 
desgaseificação, alterando a interface gás/metal para melhorar a cinética de 
difusão. Manter o fundido sem perturbações por longos períodos de tempo em ou 
próximo ao liquidus também reduz o conteúdo de hidrogênio a um nível não maior do 
que aquele definido para a liga como a solubilidade do líquido dependente da 
temperatura. 
Oxidação 
 
Formação de óxido. O alumínio e suas ligas oxidam prontamente nos estados sólido e 
fundido para fornecer um filme autolimitado contínuo. A taxa de oxidação aumenta com 
a temperatura e é substancialmente maior no alumínio fundido do que no alumínio 
sólido. Os elementos reativos contidos em ligas como magnésio, estrôncio, sódio, 
cálcio, berílio e titânio também são fatores na formação de óxidos. Em ambos os 
estados fundido e sólido, o óxido formado na superfície oferece benefícios na 
autolimitação e como uma barreira para a difusão e solução do hidrogênio. A 
turbulência induzida, entretanto, resulta no arrastamento de partículas de óxido, que 
resistem à separação por gravidade porque sua densidade é semelhante à do alumínio 
fundido. 
Os óxidos são formados por oxidação direta no ar, por reação com vapor d'água, ou por 
reação aluminotérmica com óxidos de outros metais, como ferro ou silício, contido em 
ferramentas e refratários. O óxido de alumínio é polimórfico, mas na temperatura do 
metal fundido as formas comuns de óxido encontradas são cristalinas e de vários tipos, 
dependendo da exposição, temperatura e tempo. Algumas formas de óxido 
cristalográfico afetam a aparência e a coloração das peças fundidas, sem outros efeitos 
significativos. 
Separação e remoção de óxidos. Geralmente é necessário tratar fundidos de alumínio e 
suas ligas para remover os não metálicos suspensas. Isso é normalmente realizado 
usando fluxos gasosos sólidos ou quimicamente ativos contendo cloro, flúor, cloretos e / 
ou fluoretos. Em cada caso, o objetivo é a desparafinação da interface óxido / fusão para 
fornecer separação eficaz de óxidos e outras matérias incluídas e a flotação desses não 
metálicos por fixação a elementos ou compostos sólidos ou gasosos introduzidos ou 
formados durante o tratamento de fluxo. 
Os fluxos também podem ser usados para minimizar a formação de óxidos. Por esse 
motivo, os fundidos contendo magnésio são frequentemente protegidos pelo uso de sais 
que formam camadas líquidas, na maioria das vezes de cloreto de magnésio, na 
superfície do fundido. Esses fluxos, denominados fluxos de cobertura, devem ser 
removidos e substituídos periodicamente. Carbono, grafite e pó de boro também 
retardam eficazmente a oxidação quando aplicados à superfície fundida. 
Efeitos das inclusões. Além dos óxidos, vários compostos adicionais podem ser 
considerados inclusões em estruturas fundidas. Todo o alumínio contém carboneto de 
alumínio (Al4 C3) formado durante a redução. Boros também podem estar presentes. Por 
aglomeração, os boros podem assumir tamanho suficiente para representar um fator 
significativo na estrutura do metal, com efeitos especialmente adversos na usinagem. 
Em todas as condições, as inclusões, seja na forma de filme ou de partículas, são 
prejudiciais às propriedades mecânicas. O efeito bruto das inclusões é reduzir a seção 
transversal efetiva do metal sob carga. O efeito mais devastador sobre as propriedades é 
o da concentração de tensão quando as inclusões aparecem na ou perto da superfície das 
peças ou espécimes. O desempenho de fadiga é reduzido sob a última condição pelo 
efeito de entalhe. As resistências finais e de escoamento são normalmente mais baixas e 
a ductilidade pode ser substancialmente reduzida quando as inclusões estão presentes. 
Inclusões de partículas duras são frequentemente encontradas em associação com 
óxidos do tipo filme. Boros, carbonetos, óxidos e partículas não metálicas no fundido 
são eliminados e então concentrados em regiões localizadas dentro da estrutura fundida. 
Controle de Estrutura 
Uma série de fatores define a estrutura metalúrgica em fundições de alumínio. De 
importância primária são o tamanho da célula dendrítica ou o espaçamento do braço 
dendrítico, a forma e distribuição das fases microestruturais e o tamanho do grão. O 
fundidor pode controlara finura da estrutura dendrítica, controlando a taxa de 
solidificação. 
Características microestruturais, como o tamanho e a distribuição das fases primárias e 
intermetálicas, são consideravelmente mais complexas. As medições do tamanho das 
células dendríticas estão se tornando cada vez mais importantes. 
Estrutura de Grão 
Uma estrutura de grão fino e equiaxial são normalmente desejadas em peças fundidas de 
alumínio. O tipo e o tamanho dos grãos formados são determinados pela composição da 
liga, taxa de solidificação e adição de ligas principais (refinadores de grãos) contendo 
partículas de fase intermetálica, que fornecem locais para nucleação de grãos 
heterogêneos. 
 
Efeitos de refinamento de grãos. Um tamanho de grão mais fino melhora a solidez da 
fundição, minimizando o encolhimento, o craqueamento a quente e a porosidade do 
hidrogênio. As vantagens do refinamento de grãos eficaz são: 
 Características de alimentação aprimoradas 
 Maior resistência ao rasgo 
 Propriedades mecânicas aprimoradas 
 Maior tensão de pressão 
 Resposta melhorada ao tratamento térmico 
 Aparência aprimorada após acabamento químico, eletroquímico e mecânico. 
 
Sob condições normais de solidificação, abrangendo toda a gama de processos de fundição 
comercial, ligas de alumínio sem refinadores de grãos exibem estruturas colunares 
grosseiras e/ou equiaxiais grosseiras. 
Uma estrutura de grão fino também minimiza os efeitos na capacidade de fundição e nas 
propriedades associadas ao tamanho e distribuição de intermetálicos de ocorrência 
normal. Partículas intermetálicas grandes e insolúveis que estão presentes ou se formam na 
faixa de temperatura entre liquidus e solidus reduzem a alimentação. Um tamanho de grão 
fino promove a formação de partículas intermetálicas mais finas e uniformemente 
distribuídas com melhorias correspondentes nas características de alimentação. Como a 
maioria dessas fases mais frágeis precipita no final do processo de solidificação, sua 
formação preferencial nos contornos dos grãos também afeta profundamente a resistência 
ao rasgo e as propriedades mecânicas em estruturas de grãos grossos. 
A porosidade, se presente, é de menor tamanho de vazio discreto em partes de grãos 
finos. O tamanho dos vazios de retração interdendríticos é diretamente influenciado pelo 
tamanho do grão. 
A distribuição mais fina de intermetálicos solúveis em todas as fundições refinadas com 
grãos resulta em uma resposta mais rápida e completa ao tratamento térmico. Propriedades 
mecânicas mais consistentes podem ser esperadas após o tratamento térmico. 
 
Refinamento de grãos. Todas as ligas de alumínio podem ser feitas para solidificar com 
uma estrutura de grãos finos totalmente equiaxial por meio do uso de adições adequadas de 
refinamento de grãos. Os refinadores de grãos mais usados são ligas mestras de titânio, ou 
de titânio e boro, em alumínio. Os refinadores de alumínio-titânio geralmente contêm de 3 
a 10% de Ti. A mesma faixa de concentrações de titânio é usada em refinadores de Al-Ti-
B com teores de boro de 0,2 a 1% e proporções de titânio para boro variando de cerca de 5 
a 50. Embora refinadores de grãos desses tipos possam ser considerados endurecedores 
convencionais ou mestre ligas, elas diferem das ligas principais adicionadas ao fundido 
apenas para fins de liga. 
Para serem eficazes, os refinadores de grãos devem introduzir quantidades controladas, 
previsíveis e operativas de aluminetos (e boros) na forma, tamanho e distribuição corretos 
para a nucleação dos grãos. O refinador forjado em forma de haste, desenvolvido para o 
tratamento contínuo de alumínio em operações primárias, está disponível em 
comprimentos cortados para uso em fundição. 
 
Se pudermos testar a porosidade e encontrar problemas em uma amostra de suas 
primeiras peças fundidas, então seremos capazes de determinar a causa e redirecionar 
para solucioná-la. Também lhe dá mais tempo para determinar qual nível de porosidade 
é aceitável, quais mudanças você pode aceitar para o projeto da peça e fazer sua escolha 
para melhorar a capacidade de fundição geral.