Aula 2 - Processo de Produção I - Unifor

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Prof(a) Ma: Julietty Morais
E-mail:julietty@unifor.br
PRODUÇÃO POR FUNDIÇÃO
Tão logo o metal fundido atinge o molde, ele começa a resfriar. Quando a
temperatura cai o suficiente (isto é, até a temperatura de solidificação para um
metal puro), a solidificação, que envolve mudança de fase do metal, tem início. Para
completar a mudança de fase, tempo é necessário e calor considerável é removido
no processo. É durante essa etapa do processo que o metal assume a forma sólida
da cavidade do molde e que muitas das propriedades e características do fundido
são estabelecidas.
PRODUÇÃO POR FUNDIÇÃO
Uma vez que o fundido se resfriou suficientemente, ele é removido do molde.
Dependendo do método de fundição e metal empregados, pode ser necessário
processamento posterior. Este pode incluir remoção do excesso de metal da peça
fundida (rebarbação), limpeza da superfície, inspeção do produto e tratamentos
térmicos para melhorar suas propriedades.
PRODUÇÃO POR FUNDIÇÃO
Processos de fundição se subdividem em duas grandes categorias, de acordo com
o tipo de molde empregado: fundição em moldes perecíveis e fundição em moldes
permanentes. Um molde perecível significa que o molde no qual o metal líquido se
solidifica deve ser destruído para que se remova a peça fundida. Esses moldes são
fabricados com areia, gesso, ou materiais similares, cuja forma é mantida com o
uso de aglomerantes de diversos tipos. Fundição em areia é o mais importante
exemplo de processos com molde perecível, no qual o metal líquido é vazado num
molde à base de areia. Após o metal solidificar e adquirir resistência, o molde
precisa ser sacrificado para a remoção do fundido.
PRODUÇÃO POR FUNDIÇÃO
O molde permanente pode ser utilizado diversas vezes para produzir muitos
fundidos. Ele é feito em metal (ou, menos comumente, numa cerâmica refratária)
que pode resistir às elevadas temperaturas envolvidas nas operações de fundição.
Na fundição em moldes permanentes, o molde consiste em duas (ou mais) seções
que podem ser abertas para permitir a remoção da peça acabada. Fundição sob
pressão é o processo mais conhecido desse grupo.
FUNDIÇÃO EM MOLDES DE AREIA
Fundição em moldes de areia é, de longe, o processo de fundição mais
importante. A fundição em moldes de areia será usada para descrever os
aspectos básicos de um molde.
O molde consiste em duas metades: parte superior e parte inferior. A parte
superior é a metade de cima do molde, e a parte inferior, a de baixo. Essas
duas partes são contidas numa caixa de moldagem, também bipartida. As
duas metades do molde são separadas pela linha de partição.
FUNDIÇÃO EM MOLDES DE AREIA
A cavidade no molde dá origem à superfície externa da peça fundida.
Adicionalmente, a peça pode ter cavidades internas. As superfícies internas
são obtidas com o uso do macho, um componente colocado dentro do
molde para definir a geometria do interior da peça. Na fundição em areia,
os machos são em geral fabricados em areia, embora outros materiais
possam ser usados, como metais*, gesso e cerâmicas.
FUNDIÇÃO EM MOLDES DE AREIA
Num molde de fundição, o sistema de alimentação compreende o canal, ou rede de
canais, através dos quais o metal flui do exterior para a cavidade do molde. Como
mostrado na figura, o sistema de alimentação tipicamente consiste num canal de
alimentação (também chamado canal), através do qual o metal entra no canal de
distribuição e é conduzido à cavidade principal. No topo do canal, um funil de
vazamento (ou bacia de vazamento) é em geral usado para minimizar respingos e
turbulência à medida que o metal flui no canal de alimentação. É mostrado no nosso
diagrama como um simples funil cônico. Alguns funis de vazamento são projetados
na forma de bacias, com um canal aberto conduzindo o metal ao canal de
alimentação.
FUNDIÇÃO EM MOLDES DE AREIA
Adicionalmente ao sistema de alimentação, qualquer fundido que tenha contração
significante requer um massalote conectado à cavidade principal. O massalote** é
um reservatório de metal que serve como uma fonte de metal líquido para o fundido
compensar a contração durante a solidificação. O massalote deve ser projetado
para resfriar após a peça fundida (ou parte dela) de forma a atender à sua função.
FUNDIÇÃO EM MOLDES DE AREIA
À medida que o metal flui dentro do molde, o ar que previamente ocupava a
cavidade e, também, os gases quentes formados pelas reações no metal fundido
devem ser evacuados para que o metal preencha por completo o espaço vazio. Na
fundição em areia, por exemplo, a porosidade natural do molde em areia permite
que ar e gases escapem através das paredes da cavidade. Nos moldes
permanentes metálicos, pequenos canais de ventilação são broqueados no molde
ou usinados na linha de partição para permitir a remoção de ar e gases.
AQUECIMENTO DO METAL
Fornos de aquecimento de diversos tipos são usados para aquecer um metal a uma
temperatura suficiente para a fundição. A energia térmica requerida é a soma de
(1) o calor para aumentar a temperatura até a temperatura de fusão,
(2) o calor de fusão para convertê-lo do estado sólido ao líquido, e
(3) o calor para que o metal líquido atinja a temperatura adequada ao vazamento.
Isto pode ser expresso:
H=ρV(Cs(Tf-To)+Hf+Cl(Tv-Tf))
em que, H = calor total necessário para aumentar a temperatura do metal até a temperatura de vazamento, 
J (Btu); p = massa específica, g/cm³ (lbm/in³); Cs = calor específico do metal sólido, J/g-C (Btu/lbm-F); Tf = 
temperatura de fusão do metal, °C (°F); To = temperatura de partida — usualmente, a ambiente, °C (°F); Hf
= calor de fusão, J/g (Btu/lbm); Cl = calor específico do metal líquido, J/g-C (Btu/lbm-F); Tv = temperatura de 
vazamento, °C (°F); e V = volume do metal que está sendo aquecido, cm³ (in³)
VAZAMENTO DO METAL FUNDIDO
Após a etapa de aquecimento e fusão, o metal está pronto para o vazamento. A
introdução do metal fundido no molde, incluindo seu fluxo por meio do sistema de
canais e na cavidade do molde, é uma etapa crítica do processo de fundição. Para
que essa etapa seja bem-sucedida, o metal deve atingir todas as regiões do molde
antes da solidificação. Fatores que afetam a operação de vazamento incluem
temperatura de vazamento, velocidade de vazamento e turbulência.
VAZAMENTO DO METAL FUNDIDO
Taxa de vazamento se refere à vazão na qual o metal fundido é vertido no molde.
Se a taxa for muito lenta, o metal resfria e para de fluir antes de encher a cavidade.
Se a taxa de vazamento for excessiva, turbulência pode se tornar um sério
problema. Turbulência em escoamento de fluidos é caracterizada por variações
erráticas na magnitude e direção da velocidade do fluido.
VAZAMENTO DO METAL FUNDIDO
O fluxo é agitado e irregular ao invés de suave e contido, como no fluxo laminar.
Fluxo turbulento deve ser evitado durante o vazamento por várias razões. Ele tende
a acelerar a formação de óxidos metálicos que podem ficar aprisionados durante
solidificação, degradando, assim, a qualidade do fundido.
ENGENHARIA DOS SISTEMAS DE VAZAMENTO
Existem diversas correlações que governam o fluxo do metal líquido através do
sistema de alimentação e dentro do molde. Uma importante correlação é o teorema
de Bernoulli, que afirma que a soma das energias (altura, pressão, cinética e
fricção) em quaisquer dois pontos do fluxo metálico é igual. Ele pode ser escrito da
seguinte forma:
em que h = altura, cm (in), p = pressão no líquido, N/cm² (lb/in²); p = massa
específica, g/cm³ (lbm/in³); v = velocidade do fluxo metálico, cm/s (in/s); g =
constante de aceleração gravitacional, 981 cm/s² (32,2 × 12 = 386 in/s²); e f =
perdas em altura devido à fricção, cm (in). Subscritos 1 e 2 indicam dois locais
quaisquer do fluxo de líquido
ENGENHARIA DOS SISTEMAS DE VAZAMENTO
Se ignorarmos perdas por fricção (para ser verdadeiro, a fricção afetará o fluxo de
líquido através de um molde de areia) e assumirmos que o sistema permanece sob
pressão atmosférica o tempo todo, então a equação pode ser reduzida a:
ENGENHARIA DOS SISTEMAS DE VAZAMENTO
Ela pode serusada para determinar a velocidade do metal fundido na base do canal
de alimentação. Definamos o ponto 1 no topo do canal e o ponto 2 em sua base. Se
o ponto 2 for usado como plano de referência, então a altura nesse ponto será zero
(h2 = 0) e h1 é a altura (comprimento) do canal. Quando o metal é vazado na bacia
de vazamento e transborda do canal, sua velocidade inicial no topo é zero (v1 = 0).
Assim, a Equação é simplificada para:
Que pode ser resolvida para determinar a velocidade do fluxo:
ENGENHARIA DOS SISTEMAS DE VAZAMENTO
Outra correlação importante durante o vazamento é a lei de continuidade, que
afirma que a vazão é igual à velocidade multiplicada pela área da seção transversal
do canal que contém o líquido. A lei de continuidade pode ser expressa:
em que Q = vazão, cm³/s (in³/s); v = velocidade; A = área da seção transversal do
líquido, cm² (in²); e os subscritos se referem a dois pontos quaisquer do sistema.
Assim, um aumento na área resulta num decréscimo de velocidade e vice-versa.
ENGENHARIA DOS SISTEMAS DE VAZAMENTO
Assumindo que o canal de distribuição que vai da base do canal de alimentação até
a cavidade do molde é horizontal (e, portanto, a altura h é a mesma da base do
canal), a vazão através do canal e dentro da cavidade do molde permanece igual a
vA. Consequentemente, podemos estimar o tempo requerido para encher a
cavidade de um molde de volume V como:
A equação deve fornecer o tempo mínimo. Isto porque a análise feita ignora perdas
por ficção e possível restrição do fluxo dentro do sistema de alimentação.
CÁLCULO DE SISTEMA DE VAZAMENTO
Exemplo: Um canal de alimentação de um molde tem 20 cm de comprimento, e a
área da seção transversal na base é igual a 2,5 cm2. O canal alimenta um canal de
distribuição horizontal até a cavidade do molde cujo volume é 1560 cm3. Determine:
(a) velocidade do metal fundido na base do canal, (b) vazão do líquido, e (c) tempo
para encher o molde.