Fundamentos de Fundição
1. Visão da Tecnologia de Fundição
2. Aquecimento e vazamento 1. Solidificação e resfriamento
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Processo de Solidificação O material material de trabalho trabalho inicialmente inicialmente está em forma líquida líquida ou está em uma condição condição muito muito plástica, plástica, e deste deste modo a parte é criada por meio meio da solidificação solidificação do do material material
Processos de solidificação podem ser classificados de acordo com a engenharia de materiais processados:
Metais
Cerâmica, especificamente vidros
Polímeros e compósitos de matriz polimérica (PMCs) 674N - FABRICAÇÃO MECÂNICA
Processo de Solidificação O material material de trabalho trabalho inicialmente inicialmente está em forma líquida líquida ou está em uma condição condição muito muito plástica, plástica, e deste deste modo a parte é criada por meio meio da solidificação solidificação do do material material
Processos de solidificação podem ser classificados de acordo com a engenharia de materiais processados:
Metais
Cerâmica, especificamente vidros
Polímeros e compósitos de matriz polimérica (PMCs) 674N - FABRICAÇÃO MECÂNICA
Classificação dos Processos de Solidificação
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Fundição Processo em que o fluxo do metal fundido por gravidade ou qualquer outra força penetra no molde onde se solidifica na forma da cavidade do molde
O termo fundição também se aplica à parte feita no processo Etapas do processo: 1. Derreter o metal 2. Vazar em um molde 3. Deixar resfriar 674N - FABRICAÇÃO MECÂNICA
Recursos e Vantagens da Fundição
Pode criar geometrias complexas
Pode criar formas externas e internas
Alguns processos de fundição são net shape (forma final), enquanto outros near net shape (próximo a forma final)
Capaz de produzir peças de grande porte
Alguns métodos de fundição são adequados à produção em massa
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Desvantagens da Fundição Desvantagens entre diferentes processos de fundição:
Limitações nas propriedades mecânicas
Baixa precisão dimensional e acabamento superficial para alguns processos, como por exemplo, fundição em areia
Riscos de segurança para os trabalhadores devido aos metais fundidos
Problemas ambientais 674N - FABRICAÇÃO MECÂNICA
Produtos Feitos por Fundição
Peças de grandes dimensões Blocos e cabeçotes de motor para veículos automotores, fogões a lenha, bases para máquinas, rodas de trens, canos, sinos, estátuas grandes, carcaças de bomba
Peças pequenas Coroas dentárias, jóias, estatuetas, frigideiras
Todas as variedades de metais podem ser fundidos, metais ferrosos e não ferrosos
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Visão Geral da Tecnologia de Fundição
Fundição é normalmente realizada em uma fundição
Fundição = fábrica equipada para fazer moldes, fusão e tratamento do metal fundido, realizando o processo de fundição, e terminar a limpeza do produto fundido Os trabalhadores que realizam a fundição são chamados de fundidores
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Moldes Abertos e Fechados
Duas formas de moldes: a) molde aberto: simplesmente um recipiente em forma de a parte desejada b) molde fechado: a geometria do molde é mais complexa e exige um sistema de vazamento (passagem) que conduz a cavidade 674N - FABRICAÇÃO MECÂNICA
Tipos de Processos de Fundição 1. Processos de molde descartável - usa moldes descartáveis que devem ser destruídos para remover o produto fundido
Materiais do molde: areia, gesso e materiais semelhantes, além de ligantes
2. Processos de molde permanente - usa um molde permanente, que pode ser usado repetidas vezes para produzir muitas peças
Feito de metal (ou menos freqüente de material cerâmico refratário) 674N - FABRICAÇÃO MECÂNICA
Tipos de Processos de Fundição Vantagens e Desvantagens Geometrias mais complexas são possíveis com os processos de molde descartável
Formas de peças no processo de molde permanente são limitadas pela necessidade de abrir o molde
Processos em moldes permanentes são mais econômicos em alta produção
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Fundição em Molde de Areia
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Formação da Cavidade do Molde
Cavidade do molde é formado por areia em torno de um modelo, que tem o formato da peça
Quando o modelo é removido, o restante da cavidade em areia forma parte da peça a ser fundida
O modelo é geralmente super dimensionado para permitir a contração do metal durante a solidificação e resfriamento
Areia para o molde é úmida e contém ligantes para manter a forma desejada
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Uso de um Núcleo na Cavidade do Molde
A cavidade do molde determina as superfícies externas das peças fundidas
Além disso, uma fundição pode ter superfícies internas, determinadas por um núcleo, colocado dentro da cavidade do molde para definir a geometria de uma parte interior
Na fundição em areia, os núcleos são geralmente feitos de areia
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Sistema de Canais Canais através do qual o fluxo do metal fundido penatra na cavidade externa do molde Consiste de um canal de alimentação, através da qual o metal entra em um canal secundário que conduz à cavidade principal
No topo do canal de alimentação, um poço de vazamento é frequentemente utilizado para minimizar respingos e turbulência quando o metal flui para o canal de alimentação
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Poço
Reservatório no molde que é uma fonte de metal líquido para compensar a contração da peça durante a solidificação
O poço frio deve ser projetado para resfriar depois da fundição, a fim de satisfazer a sua função
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Aquecimento do Metal
Fornos são usados para aquecer o metal fundido a temperatura suficiente para fundição O calor necessário é a soma de: 1. Calor para elevar a temperatura ao ponto de fusão 2. Calor de fusão para converter de sólido a líquido 3. Calor para elevar o metal fundido a temperatura desejada para vazamento
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Vertendo o Metal Fundido
Para esta etapa ser bem sucedida, o metal deve fluir em todas as regiões do molde, sendo que o mais importante é o enchimento da cavidade principal, antes de se solidificar
Fatores determinantes
Temperatura de vazamento
Taxa de vazamento
Turbulência
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Solidificação do Metal Transformação de metal fundido em estado sólido Solidificação varia dependendo se o metal é:
Um elemento puro ou
Uma liga
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Curva de Resfriamento para um Metal Puro Um metal puro se solidifica a uma temperatura constante e igual ao seu ponto de congelamento
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Solidificação de Metais Puros Devido à ação de resfriamento da parede do molde, uma fina camada de metal sólido é formado na interface imediatamente após o vazamento
Como a solidificação progride a espessura da camada aumenta formando um escudo em torno do metal derretido
Taxa de congelamento depende da transferência de calor no molde, bem como as propriedades térmicas do metal
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Solidificação de Metais Puros Devido à ação de resfriamento da parede do molde, uma fina camada de metal sólido é formado na interface imediatamente após o vazamento
Como a solidificação progride a espessura da camada aumenta formando um escudo em torno do metal derretido
Taxa de congelamento depende da transferência de calor no molde, bem como as propriedades térmicas do metal
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Solidificação de Metais Puros
Estrutura granular característica na fundição de um metal puro, mostrando grãos orientados aleatoriamente de pequeno tamanho perto da parede do molde, e grandes grãos lamelares orientados em direção ao centro da peça 674N - FABRICAÇÃO MECÂNICA
Solidificação de Ligas
(a) Diagrama de fases para uma liga de cobre-níquel (50% Ni - 50% Cu) (b) Curva correspondente ao resfriamento da liga (c)Exceção para ligas eutéticas 674N - FABRICAÇÃO MECÂNICA
Solidificação de Ligas
Estrutura granular característica na fundição de uma liga de alumínio, mostrando separação dos componentes da liga no centro da carcaça. 674N - FABRICAÇÃO MECÂNICA
Tempo de Solidificação O tempo total de solidificação Tst = tempo necessário para a solidificação após o vazamento Tst depende do tamanho e forma do fundido através da relação conhecida como Equação de Chvorinov TST
V
n
C m A
Tst = tempo total de solidificação V = volume do vazamento A = área da superfície da carcaça n = expoente com valor típico = 2 Cm = constante do molde. 674N - FABRICAÇÃO MECÂNICA
Constante do Molde na Equação de Chvorinov
Constante do molde Cm depende:
Material de molde
Propriedades térmicas do metal fundido
Temperatura de vazamento em relação ao ponto de fusão
Valor de cm , para uma operação de vazamento pode ser considerada com base em dados experimentais de operações anteriores realizadas com material mesmo molde, metal e temperatura de vazamento, mesmo que a forma da peça seja bem diferente
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O que a regra de Chvorinov considera Um fundido com uma alta relação entre o volume e a superfície resfria e solidifica-se mais lentamente do que um com uma menor relação
Na alimentação do metal líquido para a cavidade principal, Tst no poço deve ser maior que o Tst na cavidade principal
Visto que as constantes molde para o poço e cavidade são iguais, o projeto do poço deverá ter um volume maior em relação a área, de modo que o fundido principal solidifique-se primeiro
Isso minimiza os efeitos de contração 674N - FABRICAÇÃO MECÂNICA
Contração na Solidificação e Resfriamento
Contração de uma peça cilíndrica durante a solidificação e resfriamento: (0) nível imediatamente após o vazamento (1) redução no nível do líquido causada pela contração durante o resfriamento (redução dimensional exagerada para maior clareza). 674N - FABRICAÇÃO MECÂNICA
Contração na Solidificação e Resfriamento
(2) redução na altura e formação de cavidade retração causada pela contração de solidificação (3) Redução de altura e diâmetro devido à contração térmica durante o resfriamento do metal sólido (redução dimensional exagerada para maior clareza). 674N - FABRICAÇÃO MECÂNICA
Contração na Solidificação Ocorre em quase todos os metais na fase sólida apresentam densidade mais elevada do que a fase líquida
Assim, a solidificação provoca uma redução do volume por unidade de peso de metal
Exceção: ferro fundido com alto teor de C Grafitização durante a fase final de resfriamento faz com que neutralize a diminuição volumétrica associada à mudança de fase
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Contração na Solidificação O modelador deverá considerar a contração térmica na solidificação, para que a cavidade do molde tenha sobremedida
A grandeza que o molde deverá ser maior em relação ao tamanho da peça final é chamado de padrão de contração do molde
As dimensões do fundido são expressas de forma linear, portanto, as sobremedidas são aplicadas em conformidade
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Solidificação Direcional Para minimizar os efeitos nocivos da retração, é desejável que as regiões do fundido mais distantes da fonte do metal líquido solidifiquem primeiro e progressivamente dessas regiões para o poço (s)
Assim, o metal fundido está continuamente disponível a partir dos poços para evitar vazios na retração
O termo solidificação direcional descreve esse aspecto de congelamento e métodos pelos quais ele é controlado
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Resfriamento Externo
a) Aletas externas para promover o resfriamento rápido do metal fundido em uma seção fina da peça (b) resultado mais provável se o resfriamento do exterior não for utilizado 674N - FABRICAÇÃO MECÂNICA