Instituto Federal de Santa Catarina
Campus de Florianópolis
Departamento Acadêmico de Metal-Mecânica
Curso Técnico de Mecânica Industrial – ProIn II
Processos de Fabricação
Fundição
ProIn II – Mecânica Industrial
Prof. Henrique Cezar Pavanati, Dr. Eng
E-mail: [email protected]
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
CARACTERÍSTICAS
Peças fundidas são obtidas deixando-se solidificar
um metal líquido vazado em um molde cuja forma
corresponde ao negativo da peça a ser obtida.
Permite obter, de modo econômico, peças de
eometria complexa (liberdade de forma).
2
g
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Fundição
CARACTERÍSTICAS
A Fundição é realizada em metais cujo ponto de fusão
não é demasiadamente elevado e o mesmo possua boa
fluidez
Ligas mais comuns na fundição
Ferro Fundido, Alumínio, Cobre, Zinco, Magnésio e
suas respectivas ligas.
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Fundição
POTENCIALIDADES
1. Vantagem econômica
Caminho mais curto entre matéria-prima e peça acabada
2. Flexibilidade quanto à dimensões e peso
De algumas gramas até toneladas
3. Moldagem de formas complexas
Liberdade de formas (líquido se molda com facilidade)
4. Economia de peso
Pode-se moldar uma peça com a espessura final desejada
5. Produção em série
Fácil automação
6. Economia de usinagem
Bom acabamento superficial e boas tolerâncias dimensionais
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Fundição
Possíveis rotas da fabricação utilizando a Fundição
Metais/
ligas
5
Fundição
Forma
final
Forma
semifinal
Processa
mento
Forma
final
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Fundição
HISTÓRICO
60 Séculos de empirismo x 5 décadas
de ciência
6
Fonte: R.E. Hummel, Understanding Materials Science, 2nd ed. (2004)
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Fundição
HISTÓRICO
60 Séculos de empirismo x 5 décadas
de ciência
Fonte: R.E. Hummel, Understanding Materials Science, 2nd ed. (2004)
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Fundição
HISTÓRICO
60 Séculos de empirismo x 5 décadas
de ciência
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Fundição
HISTÓRICO
60 Séculos de empirismo x 5 décadas
de ciência
O atraso na exploração de materiais fundidos está
provavelmente relacionado à completa ignorância
da natureza do fenômeno de solidificação e das
microestruturas produzidas
Sem conhecimento da solidificação a fundição era vi
sta mais como “magia negra” do que como ciência
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ASPECTOS GERAIS
SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Importância da Solidificação
Salvo raríssimas exceções todos os produtos
metálicos passam necessariamente pela
solidificação em algum estágio de sua obtenção.
É na fundição de metais que a solidificação
encontra seu mais vasto campo de aplicação
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Na fundição, a solidificação do metal ocorre,
geralmente, em poucos segundos.
É um tempo muito breve no processo produtivo de
uma peça, mas é o “coração” do processo.
Se estes poucos segundos de solidificação não
forem bem controlados eventuais defeitos de
fabricação podem surgir inviabilizando a
utilização da peça produzida
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Um material metálico ao passar do estado líquido
para o estado sólido (e vice-versa) sofre uma
drástica mudança de viscosidade
Ao se fundir os materiais metálicos têm sua
viscosidade aumentada em aproximadamente
100.000.000.000.000.000.000x
(cem quinqualhões de vezes)
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ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Na solidificação de um metal tem-se a formação de,
geralmente, vários núcleos cristalinos envolvidos
em um líquido que possui natureza amorfa.
T (ºC)
Subresfriamento
Tf
ΔT
Liq.
Líquido atomicamente
desordenado
(amorfo)
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Núcleo atomicamente
ordenado (cristal)
Liq.
Liquido
+
Sólido
Sólido
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ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Nucleação
1. Nucleação Homogênea – o núcleo sólido
“nasce”
totalmente a partir do líquido
2. Nucleação Heterogênea – o núcleo sólido “nasce”
em contato com uma superfície sólida
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ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Nucleação homogênea
rcrítico
Núcleo
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Núcleo crítico
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ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Nucleação homogênea
Variação da energia livre
Var. energia livre da superfície
Var. energia livre
TOTAL
Raio do núcleo, r
3
Var. energia livre do volume
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Energia livre total de um sistema sólido-líquido com mudança de tamanho
do sólido. O núcleo sólido deve ter um raio maior que o raio crítico para
que a solidificação ocorra.
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ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Nucleação homogênea
Na nucleação homogênea é necessário um
subresfriamento térmico para se estabilizar um ou
mais núcleos e então a partir dele(s) ocorrer
a solidificação
Subresfriamento necessário para nucleação homogênea de alguns materiais
Material
Pb
Ag
Cu
Ni
Fe
H2O
Temp. de Fusão (oC)
327
962
1085
1453
1536
0
Subresfriamento (oC)
80
250
236
480
420
40
Fonte: DR Askeland, PP Phulé, Ciência e Engenharia dos Materiais (2008)
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Nucleação Heterogênea
Em condições práticas a nucleação é geralmente
heterogênea, pois a fase sólida se cristaliza mais
facilmente num substrato previamente solidificado.
O núcleo surge como
uma calota esférica na
superfície do substrato
aproveitando a energia
superficial já existente
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ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Nucleação Heterogênea
Líquido
Sólido
Substrato
A nucleação depende da
afinidade do material a ser
solidificado e do substrato
O ângulo  é o ângulo de
molhamento e está relacionado
com a afinidade entre os materiais
Se  ↓ ↔ Nucleação ↑
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ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Nucleação Heterogênea
= 180º
Molhamento
nulo
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0º<  <180º
Molhamento
parcial
= 0º
Molhamento
Total
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ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Nucleação Heterogênea
Se o ângulo  = 180º
Se o ângulo  = 0º
Condição de nucleação
Homogênea
O substrato tem mesma natureza
do material a ser solidificado
Na fundição os moldes têm
natureza diferente do metal,
logo o ângulo  terá valor entre
0 e 180º.
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ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Crescimento da fase sólida – Uniforme
Sólido
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ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Crescimento da fase sólida – Colunar
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ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Crescimento da fase sólida – Dendrítico
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Dendritas
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ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Crescimento da fase sólida metal puro
Sólido + líquido
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Sólido + líquido
Sólido + líquido
100% sólido
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Crescimento da fase sólida metal puro
Fonte: G.F Van der Voort. Microstructre of nonferrous alloys (2002)
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Aluminio super-puro
Revela microestrutura de grãos alfa equiaxiais
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Crescimento da fase sólida metal puro
Fonte: G.F Van der Voort. Microstructre of nonferrous alloys (2002)
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Liga de alumínio 1100 (>99%Al)
Revela microestrutura de solidificação dendrítica
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Crescimento da fase sólida em ligas metálicas
Sólido + líquido
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Sólido + líquido
Sólido + líquido
100% sólido
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Crescimento da fase sólida ligas
Fonte: G.F Van der Voort. Microstructre of nonferrous alloys (2002)
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Liga de alumínio 3105 (Al – 0.55% Mn – 0.5% Mg)
Revela precipitados intermetálicos formados no
estágio final da fusão
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ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Crescimento da fase sólida ligas
Fonte: G.F Van der Voort. Microstructre of nonferrous alloys (2002)
31
Liga de alumínio hipoeutética (Al – 11.8% Si)
Dendritas alfa e um eutético alfa-Si.
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ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação
Após a formação da região
Devido
forteasubresfriamento
Atingindo-se
temperatura
de
Após
aao
formação
da regiãosede
coquilhada
o
material
formam-se
vários
núcleos
solidificação,
tem-se
grãos
colunares
material
se
solidifica
sob
ao ação
deoum
heterogêneos
emde
contato
com a
surgimento
núcleos
solidifica
Material
formando
metálico
no
grãos
pequeno
subresfriamento
superfície
do
molde
gerando
nas
paredes
do
molde
estado
grandes
líquido
equiaxiais
a uma
crescendo
segundo
a direção
grãos
pequenos
ede
equiaxiais
Nucleação
heterogênea
temperatura
acima
da
da
extração
calor
temperatura de
solidificação
Nucleação
heterogênea
Grãos
equiaxiais
Núcleos
Grãos coquilhados
Grãos colunares
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ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação
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ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação
Grãos colunares
Região Coquilhada
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Grãos Equiaxiais
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação
35
Pode-se obter macroestruturas diversas fazendo-se
o controle adequado do processo
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação
Para a grande maioria das aplicações dos metais
busca-se otimizar as propriedades mecânicas
e tecnológicas através de uma microestrutura
de grãos refinados.
Na fundição isto pode ser obtido através do
controle das variáveis de processo que propiciem
um máximo subresfriamento (uso de moldes metálicos,
resfriadores, etc.).
O máximo de eficácia é atingindo usando-se
INOCULANTES
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Utilizando inoculantes
Inoculante é um pó geralmente fino de um
material covenientemente escolhido (dependendo
da liga a ser fundida) depositado no estado sólido
no metal ainda líquido fornecendo superfície para
a nucleação heterogênea
Favorece o surgimento de maior número de núcleos.
Dependendo de sua dispersão, reduz o efeito da
formação de macroestrutura de fundição
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Fundição
ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO
Utilizando inoculantes aço ferrítico (Fe-Si)
Barra de aço solidificada sem
o uso de inoculantes
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Barra de aço solidificada com
o uso de inoculantes
Fonte: C Constantinescu, The annals of “Dunarea de Jos” University of Galati (2006)
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Fundição
PROCESSOS DE FUNDIÇÃO
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Fundição
PROCESSO DE FUNDIÇÃO
Etapas genéricas
1. Fabricação dos modelos
2. Fabricação dos moldes
3. Fabricação dos machos (macharia)
4. Obtenção do metal líquido (fusão)
5. Enchimento do molde com metal líquido (vazamento)
6. Retirada da peça do molde (desmoldagem)
7. Corte de canais e rebarbas (rebarbação e limpeza)
8. Inspeção
9. Tratamentos Térmicos
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Fundição
PROCESSO DE FUNDIÇÃO
Etapas genéricas
Metais e aditivos
Matéria-prima modelo
Fabricação do Modelo
Montagem do Molde
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Inspeção
Forno de Fusão
Rebarbação e limpeza
Metal líquido
Desmoldagem
Vazamento
Fabricação do molde
Fabricação do machos
Areia e aditivos
Areia e aditivos
Resfriamento
Areia reaproveitada
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Fundição
PROCESSO DE FUNDIÇÃO
Fabricação dos modelos
Consiste em construir modelos com o formato da
peça a ser fundida
O modelo é importante, pois a partir dele faz-se a
construção do molde. Suas dimensões devem prever
a contração do metal durante o processo e
sobremetal para posterior usinagem
O modelo pode ser construído de madeira, plásticos,
metais leves, gesso, cera, isopor, entre outros
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Fundição
PROCESSO DE FUNDIÇÃO
Fabricação dos modelos (exemplos)
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Fundição
PROCESSO DE FUNDIÇÃO
Fabricação dos modelos (exemplos)
Modelo de uma biela
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Fundição
PROCESSO DE FUNDIÇÃO
Fabricação dos Moldes
Usando-se os modelos, pode-se construir os moldes
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Fundição
PROCESSO DE FUNDIÇÃO
Fabricação dos Moldes
Existem vários tipos
de moldes.
Por exemplo:
molde em areia...
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Fundição
PROCESSO DE FUNDIÇÃO
Os Machos formam
a cavidade interna da
peça fundida
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Macho
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Fundição
PROCESSO DE FUNDIÇÃO
Fabricação dos Machos (macharia)
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Fundição
PROCESSO DE FUNDIÇÃO
Obtenção do metal líquido (fusão)
A fusão do metal pode ser obtida de várias
maneiras, sendo as principais:
1. Forno Cubilô
2. Forno a indução
3. Forno a arco voltaico
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Fundição
PROCESSO DE FUNDIÇÃO
Obtenção do metal líquido (fusão)
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Fundição
PROCESSO DE FUNDIÇÃO
Enchimento do molde (vazamento)
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Fundição
PROCESSO DE FUNDIÇÃO
Retirada da peça (desmoldagem) corte e limpeza
Desmoldagem
52
Limpeza (jateamento)
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Fundição
PROCESSO DE FUNDIÇÃO
Inspeção
Raios X
Partículas
Magnéticas
Líquidos
Penetrantes
Se faz uso geralmente de ensaios não destrutivos
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Fundição
PROCESSO DE FUNDIÇÃO
Principais tipos
1. Fundição em areia
2. Fundição em casca (shell molding)
3. Fundição em cera perdida
4. Fundição em moldes permanentes
5. Fundição em molde cheio
6. Fundição centrífuga
7. Fundição e forjamento
8. Fundição a vácuo
9. Fundição melt-spinning
10. Fundição contínua
54
Principal diferença
entre eles é em
como os moldes são
obtidos
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Fundição
FUNDIÇÃO EM AREIA
55
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Fundição
FUNDIÇÃO EM AREIA
Objetos de cobre moldados em areia datam de
4000 a.C. na Mesopotâmia
56
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Fundição
FUNDIÇÃO EM AREIA
Características do molde em areia
1. Resistência mecânica
Deve suportar o peso próprio e o peso do metal líquido
2. Permeabilidade
Deve permitir que os gases liberados pelo líquido escapem
3. Resistência à erosão
Deve resistir à ação do líquido que flui durante o vazamento
4. Colapsibilidade
Deve permitir a contração do metal sem perder integridade
5. Baixa aderência ao metal fundido
Deve se separar facilmente do metal quando solidificado
6. Econômico
Baixo custo pois neste caso teremos uma peça por molde
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Fundição
FUNDIÇÃO EM AREIA
Tipos de molde em areia
Moldes com
areia verde
1. Areia de base
Moldes com areia
ligada quimicamente
1. Areia de base
Sílica, cromita, zirconita...
Sílica, cromita, zirconita...
2. Agente aglomerante
2. Agente aglomerante
Argila (bentonita)
3. Plastificante
Água
4. Outros aditivos
Pó de grafite, amido, etc..
58
Resinas polim. (furânicas, fenólicas...)
3. Outros aditivos
Óxido de ferro...
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Fundição
FUNDIÇÃO EM AREIA
Vantagens e desvantagens da areia verde
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Vantagens
Desvantagens
1. A moldagem por areia verde é o
mais barato dentre todos os métodos
de produção de moldes.
2. Há menos distorção de formato do
que nos métodos que usam areia
seca, porque não há necessidade de
aquecimento (durante a fabricação
do molde).
3. As caixas de moldagem estão
prontas para a reutilização em um
mínimo espaço de tempo.
4. Boa estabilidade dimensional.
5. Menor possibilidade de surgimento
de trincas.
1. O controle da areia é mais crítico do que
nos outros processos que também usam
areia.
2. Maior erosão quando as peças fundidas
são de maior tamanho.
3. O acabamento da superfície piora nas
peças de maior peso.
4. A estabilidade dimensional é menor nas
peças de maior tamanho.
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Fundição
FUNDIÇÃO EM AREIA
Canais no molde em areia
Bacia de vazamento
Canal de espuma
Massalote
Canal de descida
Base do canal de descida
Peça
Canal de distribuição
60
Canal de ataque
Canal de subida
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM AREIA
Etapas na produção do molde em areia verde
Compactação da areia na caixa
61
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM AREIA
Etapas na produção do molde em areia verde
Compactação automatizada
62
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM AREIA
Etapas na produção do molde em areia verde
Defeito
(excesso de umidade na areia)
Caixa é virada
63
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM AREIA
Etapas na produção do molde em areia verde
É colocada a outra metade e os
canais e massalotes
64
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM AREIA
Etapas na produção do molde em areia verde
Os modelos dos canais são
removidos
65
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM AREIA
Etapas na produção do molde em areia verde
Abertura do copo de vazamento
66
Abertura do canal de distribuição
e retirada do modelo da peça
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM AREIA
Etapas na produção do molde em areia verde
Fechamento do molde
67
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM AREIA
Etapas na produção do molde em areia verde
Vazamento do metal líquido
68
Desmoldagem
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM AREIA
Etapas na produção do molde em areia verde
Rebarbação e limpeza
69
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CASCA
(SHELL MOLDING)
70
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CASCA
Características
O processo de fundição em casca é também um
processo de fundição em areia
Neste método a areia não necessita ser compactada
para que o conjunto adquira resistência mecânica
Utiliza, no entanto, areia modificada quimicamente
sendo o molde “curado” para adquirir resistência
mecânica. Nesta cura a resina forma uma massa
aderente que mantêm os grãos de areia unidos
71
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CASCA
Características
A cura da resina poder ser realizada a quente ou a frio
Cura a frio
Cura a quente
1. Processo mais caro
1. Chamada de shell molding
2. Utiliza catalisadores
ácidos e corrosivos
2. A base de polímeros
geralmente termofixos
3. Por isso menos comum
3. Resina corresponde de 3 a
10% do molde
72
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CASCA
Obtenção do molde – Cura a quente
Modelos Metálicos para resistir ao calor
73
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CASCA
Obtenção do molde – Cura a quente
Moldelo posicionado na placa de aquecimento (200-250ºC)
74
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CASCA
Obtenção do molde – Cura a quente
75
A placa é girada contra um reservatório contendo uma mistura
de areia e resina de modo a envolver todo o modelo
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CASCA
Obtenção do molde – Cura a quente
O calor do modelo
funde parcialmente a
resina da mistura que
fica próxima ao modelo
unindo as partículas de
areia, nesta região
76
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CASCA
Obtenção do molde – Cura a quente
77
Após algum tempo (cerca de 15 minutos), forma-se uma casca
(“shell”) com espessura suficiente (10-15 mm) sobre o modelo
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CASCA
Obtenção do molde – Cura a quente
A casca é retirada da placa com auxílio de
pinos extratores
78
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CASCA
Obtenção do molde – Cura a quente
79
A resina da casca é finalmente reticulada “curada” quando a placa
é colocada numa estufa com temperatura entre 350-450 ºC
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CASCA
Obtenção do molde – Cura a quente
São produzidas duas metades e unidas por um adesivo e/ou
grampos. O Conjunto pode ou não ser posicionado numa
caixa contendo areia para o vazamento do metal líquido.
80
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CASCA
Características – CURA A QUENTE
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Este processo produz somente metade do molde
Menor espaço para estocagem
Redução na quantidade de areia necessária
Fornece bom acabamento superficial
Boa estabilidade dimensional
Facilidade de liberação de gases (permeabilidade)
Processo facilmente automatizado
Mais adequado para peças complexas
O vazamento é realizado por gravidade
10. Maior custo comparado ao molde areia verde
11. Dimensões limitadas em comparação com fundição em areia verde
81
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CASCA
Obtenção do molde – Cura a FRIO
1. Modelos (geralmente em madeira) são fixados na caixa
2. A mistura de areia, resina e catalisador é feita e
despejada na caixa, fazendo-se a gradativa
compactação
3. A cura inicia-se imediatamente após a moldagem
4. A cura termina algumas horas após
5. O modelo é retirado
6. Molde é pintado com tintas especiais para fundição
7. Molde é aquecido para secagem da tinta
82
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Fundição
FUNDIÇÃO EM CASCA
Características – CURA A FRIO
1. Moldes mais rígidos para serem usados para peças
grandes e formas complexas;
2. Bom acabamento superficial
3. Vazamento feito por gravidade
4. Molde mais caro comparado com outros em areia
5. Catalisadores têm substâncias ácidas e corrosivas
6. Cuidado na manipulação
83
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CERA PERDIDA
(INVESTMENT CASTING)
84
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CERA PERDIDA
Os primeiros objetos fundidos usando-se cera
perdida que se tem notícia foi 3000 a.C.
na Mesopotâmia
85
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CERA PERDIDA
Características
A fundição por cera perdida é caracterizada por obter o
molde a partir de um modelo de cera que será derretido
após a confecção do molde;
86
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CERA PERDIDA
Obtenção do modelo de cera
1.
2.
3.
4.
•
•
•
87
Usinagem da cera
União de sub-partes de cera formando o modelo
Moldagem da cera no estado sólido
Moldagem da cera no estado líquido
Molde metálico (injeção)
Molde cerâmico (geralmente gesso)
Molde polimérico (geralmente silicone)
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CERA PERDIDA
Obtenção do modelo de cera
88
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CERA PERDIDA
União dos canais
de alimentação
89
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CERA PERDIDA
Banho de lama + partículas
refratárias (areia)
90
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CERA PERDIDA
Remoção da cera e
cura da casca cerâmica
91
Autoclave
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CERA PERDIDA
Vazamento do metal
92
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CERA PERDIDA
Remoção da casca cerâmica
93
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CERA PERDIDA
RESUMO
94
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
FUNDIÇÃO EM CERA PERDIDA
Vantagens e desvantagens
1.
2.
3.
4.
5.
Produz peças com excelente acabamento superficial
Facilidade em produzir peças com geometria complexa
Ideais para peças pequenas
Reprodução de detalhes, cantos vivos e paredes finas;
Possibilidade de produzir partes ocas sem o uso de
machos.
6. Dificuldade em produzir peças grandes (>5 kg);
95
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES
PERMANENTES
(DIE CASTING)
96
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES
Características
1. Como o próprio nome sugere, o molde (metálico) pode
ser utilizado repetidas vezes;
2. Um único molde é capaz de produzir muitas peças (da
ordem de 100.000 peças);
3. Neste processo o metal líquido pode ser vazado por
gravidade ou sob pressão;
4. Produz peças com boa precisão dimensional e bom
acabamento superficial;
5. É necessário que a peça tenha geometria adequada
para possibilitar a extração do molde.
6. É utilizado geralmente na fundição de metais de baixo e
médio ponto de fusão.
97
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES
Matéria-prima adequada ao processo
1. Alumínio e suas ligas
2. Zinco e suas ligas
3. Magnésio e suas ligas
4. Chumbo e suas ligas
5. Bronze (eventualmente)
6. Latão (eventualmente)
98
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES
Vazamento por gravidade
99
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES
Vazamento por gravidade
100
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES
Vazamento por gravidade
Molde com fechamento manual
101
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES
Vazamento por gravidade
Molde
com
fechamento
automático
102
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES
Vazamento por gravidade
103
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES
FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO - Características
1. Consiste em força o metal líquido a preencher as
cavidades do molde sob pressão;
2. O molde é geralmente fabricado em aço alta liga
resistente ao calor;
3. O molde é fechado hermeticamente e o metal injetado e
a pressão é mantida até a completa solidificação do
metal;
4. Os moldes são geralmente refrigerados à água com o
intuito de aumentar a vida dos mesmos.
104
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES
Sob pressão - MOLDES
105
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES
Sob pressão - Tipos
1. Câmara Quente
2. Câmara Fria
106
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES
Sob pressão – Câmara quente
107
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES
Sob pressão – Câmara quente - Características
1. Reduz tempo de obtenção da peça ao mínimo;
2. O metal líquido necessita percorrer uma pequena
distância para preencher o molde em cada ciclo;
3. É um processo de operação rápida variando de 1s (para
peças de poucos gramas) a 30s (para alguns kg);
4. Usado geralmente para metais de baixo ponto de fusão
como chumbo e ligas de zinco.
5. Ligas de ponto de fusão mais alto (incluindo alumínio e
suas ligas) são evitadas pois causam rápida degradação
do sistema de injeção
108
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES
Sob pressão – Câmara fria
109
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES
Sob pressão – Câmara fria - Características
1. Usado tipicamente para fundir materiais com ponto de
fusão mais elevado (ligas de alumínio, magnésio e
cobre);
2. O princípio de funcionamento é similar ao da câmara
quente, porém o metal líquido é disposto numa unidade
independente;
1. Tempo de operação mais longo que a de câmara quente
110
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES
Peças produzidas por fundição sob pressão
111
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES
Peças produzidas por fundição sob pressão
Peças
automotivas
em
alumínio
112
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES
Peças produzidas por fundição sob pressão
Carcaça da
bomba de
óleo de um
motor a
gasolina
113
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES
SOB PRESSÃO - Vantagens e desvantagens
114
1.
2.
3.
4.
5.
Obtenção de peças com geometria complexa
Maior velocidade no processo
Melhor acabamento superficial
Pode-se fundir peças com esp. de parede de até 1 mm
Ligas de alumínio apresentam melhor resist. mecânica
que aquelas fundidas em areia;
1.
2.
3.
4.
Alto custo do ferramental
Porosidade residual
Limitação no emprego do processo
Limitação na dimensão das peças (geralmente até 5 kg)
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDE CHEIO
(Poliestireno expandido)
115
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDE CHEIO
Características
1. Utiliza como modelo um corpo de poliestireno expandido
(isopor®) que funciona como “molde cheio”;
2. Este modelo é revestido com material refratário
3. O mesmo é posicionado numa caixa com areia
4. O metal líquido é vazado sobre o corpo de isopor
degradando-o formando assim a cavidade do molde
durante o vazamento.
5. A cavidade do molde mantém-se integra pois não há
efetivamente cavidade até o momento do vazamento.
116
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDE CHEIO
Sequência do processo
117
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Fundição
FUNDIÇÃO EM MOLDE CHEIO
Seqüência do processo
118
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Fundição
FUNDIÇÃO CENTRÍFUGA
119
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Fundição
FUNDIÇÃO CENTRÍFUGA
Características
1. Metal líquido é vazado num molde dotado de movimento
de rotação.
2. A força centrífuga pressiona o metal ao encontro às
paredes do molde em rotação até a sua solidificação.
3. Produz peças com geometria de revolução
4. Pode-se ainda usar a força centrífuga como meio de
distribuir o metal líquido para o molde.
120
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Fundição
FUNDIÇÃO CENTRÍFUGA
121
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Fundição
FUNDIÇÃO CENTRÍFUGA
122
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Fundição
FUNDIÇÃO CENTRÍFUGA
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Fundição
FUNDIÇÃO CENTRÍFUGA
Distribuição por força centrífuga
124
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Fundição
FUNDIÇÃO CENTRÍFUGA
Distribuição por força centrífuga – Moldes Poliméricos
125
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Fundição
FUNDIÇÃO E FORJAMENTO
(squeeze casting)
126
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Fundição
FUNDIÇÃO E FORJAMENTO
Características
1. O metal líquido é vazado em umas das partes do molde
aberto e em seguida a outra parte do molde pressiona o
metal líquido forçando-o a preencher todas as cavidades
do molde sob ação de elevada pressão
2. As elevadas pressões induzem à forte taxa de nucleação
produzindo grãos refinados e equiaxiais
3. Propriedades mecânicas semelhantes à uma peça
forjada
127
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Fundição
FUNDIÇÃO E FORJAMENTO
128
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Fundição
FUNDIÇÃO A VÁCUO
129
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Fundição
FUNDIÇÃO A VÁCUO
Características
1. Na fundição a vácuo o metal líquido é forçado a penetrar
nas cavidades do molde por uma diferença de pressão
entre a cavidade e a parte externa do molde
2. Esta diferença de pressão é dada retirando-se o ar da
cavidade do molde (vácuo);
130
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Fundição
FUNDIÇÃO A VÁCUO
131
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Fundição
FUNDIÇÃO MELT-SPINNING
132
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Fundição
FUNDIÇÃO MELT-SPINNING
Características
1. Melt-spinning é um processo onde a liga é
solidificada de forma tão rápida, que o sólido
formado não tem estrutura cristalina definida,
ele é amorfo.
2. Isso gera um aumento do limite de solubilidade
e redução da micro-segregação.
133
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Fundição
FUNDIÇÃO MELT-SPINNING
134
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Fundição
FUNDIÇÃO CONTÍNUA
135
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Fundição
FUNDIÇÃO CONTÍNUA
Características
1. Processo utilizado principalmente para fundição de
lingotes;
2. Metal líquido é vazado continuamente e o material
solidificado avança conforme ocorre a solidificação;
3. A velocidade de avanço deve coincidir com a velocidade
de solidificação na direção longitudinal do lingote;
136
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Fundição
FUNDIÇÃO CONTÍNUA
137
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Fundição
FUNDIÇÃO CONTÍNUA
Produção de lingotes
(lingotamento contínuo)
138
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Fundição
FUNDIÇÃO CONTÍNUA
Vantagens
1. Maior produtividade
2. Uniformidade do produto
3. Menor consumo energético
4. Redução de mão-de-obra
5. Melhor qualidade do produto
139
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Fundição
DESCONTINUIDADES
NA FUNDIÇÃO
140
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Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Principais descontinuidades na fundição
1. Bolhas, vazios ou porosidades
2. Junta fria
3. Trincas de contração
4. Rebarbas
5. Inclusão de areia
6. Rechupes
7. Segregação
8. Alimentação insuficiente
9. Granulação grosseira
10. Outras...
141
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Fundição
BOLHAS
VAZIOS
POROSIDADE
142
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Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Bolhas, vazios ou porosidades
São bolsas de gás de
paredes geralmente
lisas, causados por
gases oclusos pelo
metal.
143
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Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Bolhas, vazios ou porosidades - CAUSAS
Se originam quando os gases dissolvidos no metal líquido não
são eliminados durante o processo de vazamento ou
solidificação devido a:
1. excessiva umidade e/ou baixa permeabilidade da mistura da areia
2. grau de compactação do molde inadequado
3. composição da mistura inadequada (reação química do metal
líquido durante o resfriamento)
4. sistema de alimentação mal projetado
5. alto teor de gases no metal líquido
6. reações metal-areia-aditivos
7. má extração de gases do molde
8. falta de respiros,
9. turbilhonamento no canal de descida
144
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Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Bolhas, vazios ou porosidades
Aparentes: defeitos são
evidenciados na superfície
da peça
Detectáveis a olho nu ou
com auxílio de líquidos
penetrantes
145
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Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Bolhas, vazios ou porosidades
Não aparentes: defeitos
estão presentes no interior
da peça
Detectáveis geralmente
com auxílio de raios X
146
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Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Bolhas, vazios ou porosidades – COMO EVITAR
1. otimização da composição da mistura da areia
2. utilização de areia de retorno o mais seca possível
3. reavaliar o sistema de canais
4. provisão de respiradouros
5. elementos químicos para “acalmar” a carga
147
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Fundição
JUNTA FRIA
148
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Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Junta Fria
São descontinuidades causadas
pelo encontro de duas correntes de
metal a baixa temperatura, o que não
permitem a sua mistura completa.
Apresenta-se como trincas aparente
superficiais.
149
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Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Junta Fria – CAUSAS E SOLUÇÕES
Causas
•
entupimentos de canais de ataque;
•
massalotes ineficientes;
•
baixas temperaturas de vazamento.
Soluções
150
•
aumentar a fluidez do metal;
•
pré-aquecer o molde;
•
aumentar da temperatura de vazamento.
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Fundição
TRINCAS DE
CONTRAÇÃO
151
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Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Trincas de contração
São trincas intercristalinas, geralmente
de grande extensão e de forma irregular.
Ocorrem geralmente nos estágios finais
de solidificação, mas também podem
acontecer durante o resfriamento da
peça sólida, como resultado de um
estado de altas tensões de contração.
152
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Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Trincas de contração – CAUSAS E SOLUÇÕES
Causas
•
•
•
impossibilidade da peça contrair-se livremente devido a um projeto
inadequado dos machos e moldes que geram mudanças bruscas
de seções
machos muito rígidos
restrições à contração pelos canais de alimentação ou massalotes.
Soluções
•
•
•
153
utilizar machos mais elásticos
alterar o projeto para evitar variações abruptas de seções
modificar o sistema de alimentação
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Fundição
REBARBAS
154
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Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Rebarbas
São saliências do
metal em torno da
linha de divisão do
molde
155
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Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Rebarbas – CAUSAS E SOLUÇÕES
Causa
•
ocorre pelo fluxo do metal líquido para o interior do
espaço existente entre as duas partes do molde.
Soluções
•
•
156
Fixação rígida das caixas do molde
Redução da temperatura de vazamento
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Fundição
INCLUSÃO
DE AREIA
157
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Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Inclusão de areia
É a inclusão de areia do
molde na peça. Isso causa
problemas de usinagem:
os grãos de areia são
abrasivos e, por isso,
danificam a ferramenta.
Além disso, causam
defeitos na superfície
da peça.
158
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Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Inclusão de areia – CAUSAS E SOLUÇÕES
Causas
•
•
•
•
•
erosão (lavagem)
quebra de cantos do molde.
fechamento inadequado do molde.
transporte inadequado do molde.
limpeza inadequada do molde.
Soluções
159
•
•
•
•
aumento do grau de preparação da mistura
aumento do grau de compactação do molde nos pontos críticos
a utilização de areia base mais fina (rugosidade).
alterando o sistema de enchimento
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
RECHUPES
160
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Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Rechupes
São vazios de diversos tipos, formas e localizações
nas peças fundidas (internos, externos,
macrorechupes, microrechupes, lamelares, centrais...)
161
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Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Rechupes - Causa
Ocorrem devido a contração dos metais durante sua
solidificação. A primeira parte do metal a solidificar
é aquela que está em contato com o molde, ou seja,
aonde ocorre a maior troca de calor, solidificando
o material antes que os vazios consigam submergir.
162
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Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Rechupes - Solução
Através de técnicas de alimentação, procura-se
localizar estes pontos quentes fora da parte útil da peça,
em regiões que deverão ser cortadas.
MASSALOTES
163
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Fundição
SEGREGAÇÃO
164
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Segregação
É o acumulo de impurezas na última seção
solidificada. O material apresenta composição
química não uniforme e conseqüentemente
propriedades mecânicas diferentes. As zonas
segregadas geralmente localizam-se no interior
da peça, onde as tensões são mais baixas,
não constituindo um problema sério.
165
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Segregação
166
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Segregação – CAUSAS E SOLUÇÕES
Causas
•
No caso de uma impureza ser menos solúvel no estado sólido,
estas vão acompanhando o metal líquido remanescente a medida
que a solidificação se processa, indo acumular-se no interior da
peça.
Soluções
•
167
a segregação pode ser minimizada pelo rigoroso controle da
composição química e/ou da velocidade de resfriamento.
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
ALIMENTAÇÃO
INSUFICIENTE
168
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Alimentação insuficiente
Vazios localizados nas
paredes das peças
fundidas
169
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Alimentação insuficiente – CAUSAS E SOLUÇÕES
Causas
•
•
•
•
alimentação insuficiente do molde;
falta de fluidez da mistura;
grau de compactação deficiente;
massalotes e moldes pequenos.
Soluções
•
•
170
aumentar a temperatura de vazamento
reconsiderar o posicionamento do molde seu tamanho e nº de
canais
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
GRANULAÇÃO
GROSSEIRA
171
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Granulação grosseira
O metal bruto de fusão
apresenta uma estrutura
cristalográfica muito
grosseira, dendrítrica,
localmente agravada
por segregação
172
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Granulação grosseira
Causas
•
Pequeno gradiente térmico durante a solidificação.
Soluções
•
•
•
173
agitação e vibração ultrassônica
uso de inoculantes;
pode ser destruída posteriormente por tratamento térmico ou
conformação mecânica.
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
QUEBRA DE PARTE
DOS MOLDES
174
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Quebra de partes do molde
Fragmentação do molde
durante o manuseio ou
durante o vazamento do
metal líquido, afetando
a geometria final da peça
175
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Quebra de partes do molde
Causas
•
Normalmente a principal causa deste tipo de defeito é a baixa
plasticidade de areia, aliada, eventualmente, a uma baixa
resistência mecânica do molde, bem como a uma desregularem
do sistema de extração de moldes da máquina
Soluções
•
•
•
•
176
aumento do grau de preparação da mistura
compactação adequada do molde da máquina
melhora do sistema de extração de moldes da máquina
cuidados na colocação de machos nos moldes
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
SUPERFÍCIE
ÁSPERA
177
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Superfície áspera
Rugosidade elevada da
superfície da peça
178
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Superfície áspera
Causas
•
•
•
uso de areia base muito grossa
elevada temperatura da areia preparada.
excesso de umidade
Soluções
•
•
179
Controlar granulometria da areia utilizada
Controlar umidade da areia
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
MICROPOROSIDADE
DE HIDROGÊNIO
180
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Microporosidade de hidrogênio
Microporosidade
causada pela dissolução
de hidrogênio oriundo
principalmente da areia e
formação de gás H2
durante a solidificação
181
Prof. Henrique Cezar Pavanati
Fundição
DESCONTINUIDADES NA FUNDIÇÃO
Microporosidade de hidrogênio
Causas
•
Embora também possa ser proveniente de problemas
existentes com a carga metálica, na maioria das vezes sua
origem reside na areia, sendo proveniente principalmente de
elevada temperatura da areia.
Soluções
•
•
•
182
melhora do grau de preparação da mistura
otimização da composição da mistura
utilização de areia de retorno o mais fria possível.