Fundição
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O processo de fundição é definido como o conjunto de atividades requeridas para dar forma aos materiais por meio da sua fusão, conseqüente liquefação e seu escoamento ou vazamento para moldes adequados e posterior solidificação.
Os métodos de fundição são muito antigos, sua importância é fundamental para o crescimento tecnológico desde os primórdios da humanidade. Seu aperfeiçoamento é contínuo, partindo desde pequenas peças fundidas artesanalmente às técnicas de siderurgia.
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[editar] Materiais e processos
Geralmente são fundidos metais e certos materiais sintéticos a exemplos de plásticos e polímeros.
Antes da fusão do material, é necessária a preparação do molde. Este por sua vez consiste num componente cuja função é receber o produto liquefeito e transformá-lo por solidificação na peça correspondente ao modelo que serviu de base para a sua formação.
O processo de fusão se dá pelo aquecimento da matéria prima até atingir seu ponto de liquefação. Após derretida será escoada ou injetada, numa cavidade normalmente denominada molde. Uma vez resfriada, a matéria prima solidifica-se tomando a forma em positivo.
Os processos mais utilizados ainda para a confecção dos moldes convencionais são em areia de fundição ou terras especiais. Estes materiais são refratários e abundantes na natureza, os mais usados são a areia, gesso, cimento e outras substâncias cerâmicas.
Quando misturados com água, argila (em alguns casos), e um aglutinante, os moldes adquirem uma coesão uniforme e moldabilidade, sem perder a permeabilidade que permite evacuar os gases no momento da injeção, ou do escoamento.
Os materiais usados na fabricação de moldes podem ser recuperáveis ou perecíveis metálicos ou não-metálicos.
[editar] Etapas do processo
Modelo ou molde (conforme a região) é o nome dado normalmente à peça que servirá para imprimir no molde de fusão ou forma ou negativo do componente a ser fundido.
- Para evitar confusão devido aos regionalismos dos termos, será utilizado neste artigo o termo molde para a forma de fundição, e modelo para a peça que servirá de macho de impressão da cavidade receptora de material liquefeito, ou forma de fundição, ou molde de fundição.
No caso do Brasil, é necessária esta padronização devido às várias etnias e portanto nomenclaturas variáveis. A nomenclatura adotada segue a utilizada no Paraná, que obedece a ABNT.
Para que haja uma confecção de um molde dentro das medidas corretas, são necessárias algumas modificações de natureza dimensional no modelo devido ao processo de fundição:
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- O modelo deve ser ligeiramente maior que a peça original, já que se deve levar em conta a contração tridimensional desta quando da solidificação. Existem normas que devem ser seguidas conforme os metais ou ligas a serem fundidas, estas são disponíveis em tabelas ou ábacos.
- As superfícies do molde devem respeitar ângulos mínimos em relação ao modelo, com o objetivo de não danificar os formatos tomados pela areia durante a extração da peça que serve como modelo. Este ângulo é denominado ângulo de saída.
- Devem ser incluídos no molde canais de alimentação e respiro para o vazamento de excessos de material fundido e para a saída do ar.
- Se necessário, devem ser incluídos prensos, que são prolongamentos que servem para a colocação do macho, pois a forma muitas vezes consiste em duas peças, um macho e uma fêmea, ou duas metades, estando em seu centro a parte oca que servirá de negativo para ser preenchida pelo material liquefeito. A função dos prensos é prender uma peça à outra.
[editar] Fabricação do modelo
Para a confecção do modelo que servirá para imprimir na forma de areia o formato da peça a ser fundida, geralmente é utilizada madeira, plásticos como o uretano, metais como o alumínio ou o ferro fundido. Muitas vezes, se utiliza a própria peça como modelo, porém esta passa por um processo de aumento tridimensional, geralmente com a aplicação de diveras camadas de tinta ou resina, por exemplo para compensar o efeito da contração da peça fundida após o seu resfriamento.
[editar] Bi-partição do modelo
Geralmente, fabricam-se dois semimodelos correspondentes a cada uma das partes do modelo principal que é necessário fabricar. Muitas vezes, dependendo da geometria da peça, são confeccionados moldes macho e fêmea, os semi-modelos porém são considerados machos. Em algumas regiões a forma de fundição é chamada de caixa de machos, nomenclatura também adotada pelas normas técnicas.
Também pode-se cortar o modelo ao meio, ou para ser impresso em duas formas, um erro comum que se comete neste processo de corte, é a não observação da espessura da lâmina de serra que cortou-o depois de acabado, por isso, é comum confeccionar estes com sua matéria bruta (antes da formação destes) já preparada antes da usinagem.
Devido ao processo de utilização de dois semi-modelos (ou duas metades) para imprimir as duas cavidades da forma, notamos em algumas peças depois de prontas uma espécie de marca separando-a em duas metades, esta é a impressão dos moldes.
[editar] Compactação da areia em redor do modelo
Para a compactação da areia em redor do modelo, cada semi modelo é colocado sobre uma tábua, esta em seguida é cercada por quatro tábuas para formar uma caixa. A caixa contendo a peça molde é preenchida com areia de fundição. Em seguida é feita a compactação em cada forma e viradas 180 graus.
São retirados os moldes, e são feitos os canais de respiro (ou vazamento). Após este processo são montadas as duas metades, ou seja, os dois blocos formando uma peça em cujo interior está o negativo (cavidade) a ser preenchido pelo metal em fusão. Areias de fundição atualmente são sintéticas, não no sentido químico, mas porque são uma mistura de vários tipos de areias,ligantes argilosos tais como a bentonita e outros aditivos. O componente crítico da areia refratária é o cristal de quatzo, um material de toxicidade conhecida. O componente desagregado mais perigoso é a farinha de sílica ou areia de faceamento, que é esparramada no molde, por um saco pequeno.
Em uma instalação de alta produção o molde é executado em uma máquina de moldagem. Este equipamento é projetado para compactar a areia firmemente na caixa de moldagem, minimizando desta forma o esforço físico do moldador e melhorando a qualidade do molde.
Vale lembrar que as técnicas de moldagem por máquinas apresentam ainda problemas de vibração e de ruído.
[editar] Fabricação do Macho
O macho é um elemento refratario colocado no molde para definir uma cavidade ou espaço vazio no fundido final. Um vez que o material irá fluir em volta do macho ele tem de ser mecanicamente forte durante o vazamento e ainda tornar-se quebradiço após o vazamento e o resfriamento, permitindo assim, uma facil remoção da peça fundida. A areia para a fabricação do macho é preparada em um misturador através da mistura de areia de silica com um ligante orgânico tal como o óleo de linhaça e amido ou dextrina.
Há preocupações a serem respeitadas em relação ao manuseio da resina e do catalizador enquanto se prepara a mistura. Tais preocupações devem incluir a proteção de pele e olhos para ambas as resinas a base de fenol e ureia, requer-se ainda o controle por ventilação e exautão no misturador, na máquina de moldagem do macho, no local de resfriamento do macho e nas estações de vazamento fundição, resfriamento da peça e na área de remoção da areia da peça fundida
A areia preparada é colocada em uma caixa de macho determinando a forma do mesmo, após o macho é retirado e curado em uma estufa para se conseguir uma forma refratária enrijecida.
[editar] Colocação do macho
Se a peça que se quer fabricar é oca, será necessário dispor de machos que evitem que o metal fundido se propague pelas cavidades. Geralmente os machos são fabricados com areias mais finas e misturadas com materiais que proporcionam uma compactação maior (Existem algumas argilas específicas para isso). Esta técnica permite uma manipulação manual na inserção destes na cavidade do molde.
- Um exemplo do uso deste tipo de macho são os blocos de motores, onde existe a necessidade de preservar os condutos de lubrificação e de passagem de água para resfriamento.
Uma vez montado o macho dentro das cavidades, formadas pelo modelo primário, as duas metades do molde de fundição serão juntadas para receberem o material sob fusão.
[editar] Drenos
Quando o material fundido preenche as cavidades, é necessário que haja uma pequena sobra deste para expulsar o ar e possíveis contaminações. São executados na feitura dos moldes de fundição alguns canais de vazamento para possibilitar a drenagem do material..
[editar] Esfriamento e solidificação
Esta é a etapa mais crítica de todo o processo, já que um esfriamento excessivamente rápido pode provocar tensões mecânicas na peça, inclusive com aparecimento de trincas, e a formação de bolhas. Se houver um resfriamento muito lento ocorrerá a diminuição da produtividade.
Estes eventos influenciam bastante o tamanho, forma, uniformidade e composição química dos grãos formados na peça fundida, que por sua vez influencia as suas propriedades globais.
Os factores mais importantes que afectam estes eventos são: o tipo metal, as propriedades térmicas do metal e do molde, a relação geométrica entre o volume e área da superfície da fundição e a forma do molde.
[editar] Desmoldagem
Após resfriado e solidificado o material fundido, é executada a retirada da peça do molde. Ao fazê-lo deve-se tomar o cuidado de retirar a areia dos machos. Retirada a areia dos machos e da peça, esta pode ser reaproveitada em outros moldes de fundição indefinidamente, desde que não tenha sido contaminada por nenhum elemento que venha a causar alguma reação.
Erro comum nas fundições é a contaminação de determinados materiais em sua superfície por outros que ficaram dispersos na areia, causando às vezes certas contaminações superficiais indesejáveis.
[editar] Desrebarbeamento
Após retirada do molde de fundição a peça possui diversas rebarbas ocasionadas pelo vazamento através dos canais de respiro alimentação e dreno, além da marca da emenda das caixas de macho que deixa às vezes alguma rebarba.
Quando ocorre este efeito, é necessária uma limpeza da peça através do desrebarbeamento, este processo consiste na retirada das sobras e rebarbas por esmeris, ou por lixadeiras. Estas máquinas possuem ferramentas ou materiais abrasivos cuja finalidade é limpar ou retirar as rebarbas.
[editar] Acabamento e limpeza
Depois do processo de retirada das rebarbas, ainda existem imperfeições e areia nas saliências e reentrâncias das peças, normalmente se faz uma limpeza através de escovas de aço manuais ou rotativas, além da utilização de lixas, ou jatos de areia, se for o caso.
[editar] Usinagem
Peças mecânicas dificilmente ficam prontas e acabadas após a sua limpeza, ainda necessitam, em alguns casos, serem usinadas e trabalhadas por máquinas ferramentas. O motivo são as rebarbas, ou imperfeições que ocorrem no processo de fundição. Somente componentes que não necessitam precisão abosoluta em suas dimensões, não precisam ser torneados, retificados, usinados ou manipulados em suas medidas.
[editar] Tratamento térmico
Depois de usinadas, as peças podem necessitar algum tipo de normalização em suas estruturas, esta é executada em fornos especiais que fazem a têmpera (endurecimento total, ou superficial), cementação (Tratamento de superfície para endurecimento em determinadas regiões da peça), ou normalização de dureza ou revenimento (recozimento, ou novo tratamento térmico com a finalidade de aliviar tensões internas).
[editar] Retífica
Saindo do tratamento térmico, algumas peças podem necessitar um aumento de precisão em suas medidas. Muitas vezes se utiliza o processo de retificação executado por máquinas ferramentas chamadas retíficas. Os processos de acabamento descritos acima variam de peça para peça, podendo ser utilizados em maior ou menor grau. Dependendo do tipo de peça, ao sair da fundição já está pronta e acabada.
[editar] Processos
Existem diversos processos de fundição. Estes consistem na fusão da matéria prima a ser moldada geralmente em "cadinhos".
Cadinhos são reservatórios fabricados em material refratário onde a matéria prima é derretida e drenada ou derramada posteriormente para as formas, ou moldes de fundição.
[editar] Moldes de fundição
Existem diversos tipos de moldes de fundição. Alguns em areia, outros em gesso ou materiais refratários diversos, existem ainda moldes cerâmicos e metálicos, descartáveis, recicláveis, mecanizados, manuais, etc.
[editar] Molde em areia verde
Consiste na elaboração do molde com areia úmida modelada pelo formato do modelo da peça a ser fundida. É o método mais empregado na atualidade, serve para todos os metais. É especialmente apropriado para peças de tamanho pequeno e médio.
- Não é adequado para peças grandes, de geometria complexas, nem para acabamentos finos, pois ficam as marcas de corrugamento da areia, e sua tolerância dimensional é reduzida.
[editar] Molde em areia seca
Este tipo de molde se consolida em altas temperaturas (entre 200 e 300° C). Este método utilizado para aumentar a resistência mecânica e a rigidez da forma de fundição. Este processo permite a modelação de peças de grandes dimensões e geometrias complexas. A precisão dimensional é boa e o acabamento superficial é bom, pois o corrugamento das peças causado pela areia é bem menor.
[editar] Molde mecânico
Actualmente, ao invés da conformação em areia de forma convencional por compactação manual, usa-se um tipo molde mais compactado chamado de molde mecânico. Trata-se de um sistema desenvolvido para que o material de conformação do molde seja comprimido através de equipamento pneumático ou hidráulico cujas cavidades mecânicas (negativo) ou formas recebam o metal com maior tamanho densidade ou pressão, de forma a suportar os esforços sem que ocorram desmoronamentos durante o preenchimento. Este sistema foi desenvolvido para resolver as deficiências da utilização dos moldes em areia verde, menos resistente.
[editar] Modelo de cera descartável em moldes para microfusão
Os sistemas de fundição que utilizam modelos de cera descartável, normalmente são utilizados para modelagens delicadas das peças que precisam de acabamento fino. Estes processos são chamados também de microfusão. Sua fabricação consiste num modelo em cera ou plástico de baixo ponto de fusão.
Em seguida a peça em cera ou plástico é inserida no material que a recobrirá, formando assim o molde preenchido com o modelo.
A granulação do material do molde que recobre o modelo deve ser fina para dar um melhor acabamento na peça fundida. Após a formação do molde preliminar, este material é recobreto por outro de granulação maior com a finalidade de proporcionar rigidez mecânica ao conjunto que terá a cavidade preenchida com o material liquefeito.
- Um detalhe importante deste sistema de confecção do molde, é que uma vez completo, o modelo não é retirado de seu interior, ele é derretido. O modelo em cera é pré aquecido portanto derreterá e escorrerá para fora do molde, ficando desta forma a cavidade pronta para receber o material fundido.
- A principal vantagem deste sistema é a ausência de machos e de superfícies de junta, ficando a peça com acabamento fino e precisando de pouca usinagem principal.
[editar] Molde coquilha
Atualmente, ao invés da conformação em areia usa-se um tipo de molde fixo e maciço chamado "coquilha". Trata-se de um sistema onde o metal fundido ou é derramado por gravidade ou é injetado através de equipamento pneumático ou hidráulico em cavidades mecânicas (negativo) ou formas de metal maciço não aderente à liga fundida. A vantagem é a rapidez de injeção, resfriamento e extração da peça pronta. A desvantagem da coquilha é a geometria limitada das peças a serem fundidas.
[editar] Fundição por injeção
Basicamente obedece ao mesmo processo da coquilha, porém o molde é mecanizado. Existem menos restrições à geometria das peças, pois o molde é fabricado por modernos processos como eletroerosão, por laser, entre outros, que dão excelente acabamento, possibilitando menos usinagens nas peças.
[editar] Molde Metálico
Os processos que empregam moldes metálicos são:
- Fundição em Molde Permanente;
- Fundição sob pressão.
[editar] Moldes Permanentes
A aplicação mais conhecida é a da fundição de "lingotes", ou seja, peças de forma regular, cilindrica ou prismática, que irão sofrer posteriormente processamento mecânico. Os moldes nesse caso, serão chamados de "lingoteiras".
[editar] Fundição sob pressão
Consiste em forçar o metal liquido sob pressão, a penetrar na cavidade do molde, chamado matriz. Esta é metálica, portanto de natureza permanente e , assim pode ser usada inúmeras vezes.
Devido à pressão e a consequente alta velocidade de enchimento da cavidade do molde, o processo possibilita a fabricação de peças de formas bastante complexas e de paredes mais finas do que os processos por gravidade, permitem.
A matriz é geralmente construída em duas partes, que são hermeticamente fechadas no momento do vazamento do metal líquido. Ela pode ser utilizada fria ou aquecida à temperatura do metal líquido, o que exige materiais que suportem essas temperaturas. O metal é bombeado na cavidade da matriz e a sua quantidade deve ser tal que, não só preencha inteiramente esta cavidade, como também os canais localizados em determinados pontos para evasão do ar. Esses canais servem igualmente para garantir o preenchimento completo das cavidades da matriz.
Assim, simultaneamente, produz-se alguma rebarba. Enquanto o metal solidifica, é mantida a pressão durante um certo tempo, até que a solidificação se complete. A seguir, a matriz é aberta e a peça é expelida. Procede-se, então, a limpeza da matriz e a sua lubrificação. Fecha-se novamente e o ciclo é repetido.
[editar] Principais Vantagens
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- Produção de formas mais complexas do que no caso da fundição por gravidade;
- Produção de peças de paredes mais finas e tolerâncias dimensionais mais estreitas;
- Alta capacidade de pordução;
- Produção de peças quase que acabadas;
- Utilização da mesma matriz para milhares de peças, sem variaçãoes significativas nas dimensões das peças produzidas;
- As peças fundidas sob pressão podem ser tratadas superficialmente por revestimentos superficiais, com um mínimo de preparo prévio da superfície;
- Algumas ligas, como a de Alumínio, apresentam maiores resistências do que se forem fundidas em areia.
[editar] Pricipais Desvantagens
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- As dimensões das peças são limitadas - normalmente seu peso é inferior a 5kg; raramente ultrapassa 25kg;
- Pode haver dificuldade de evasão do ar retido no interior da matriz dependendo dos contornos das cavidades e dos canais; o ar retido é a principal causa de porosidade nas peças fundidas;
- O equipamentos e os acessórios, são relativamente caros, de modo que o processo somente se torna econômico para grandes volumes de produção;
- Processo com poucas excessões, só é empregado para ligas cujas temperaturas de fusão não são superiores às da liga de cobre.
[editar] Fundição por centrifugação
O processo consiste em vazar-se metal líquido num molde dotado de movimento de rotação, de modo que a força centrífuga origine uma pressão além da gravidade, que obriga o metal líquido ir de encontro com as paredes do molde onde aquele se solidifica. Um dos exemplos mais conhecidos de utilização do processo, corresponde a fabricação de tubos de ferro fundido para linhas do suprimento de água. A máquina empregada, consiste essencialmente de um molde metálico cilíndrico, montado em roletes, de modo que nele se possa aplicar o movimento de rotação. Esse cilindro é rodeado por uma camisa de água estacionária, montada por sua vez, em rodas, de modo a permitir que o conjunto se movimente longitudinalmente.
[editar] Fundição de Precisão
Os processos de fundição por precisão utiliza um molde obtido pelo revestimento de um modelo consumível com uma pasta ou argamassa refratária que endurece à temperatura ambiente ou mediante a um adequado aquecimento. Uma vez que essa pasta refratária foi endurecida, o modelo é consumido ou inutilizado. Tem-se assim uma casca endurecida que constitui o molde propriamente dito, com as cavidades correspondentes à peça que se deseja produzir. Vazado o metal líquido no interior do molde, e solidificada a peça correspondente, o molde é igualmente inutilizado.
[editar] Principais Vantagens
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- Possibilidade de produção em massa de peças de formas complicadas que são ddifíceis ou impossíveis de obter processos convencionais de fundição oupor usinagem;
- Possibilidade de reprodução de pormenores precisos, cantos vivos, paredes finas etc.;
- Obtenção de maior precisão dimensional e superfícies mais macias;
- Utilização de praticamente qualquer metal ou liga;
- As peças podem ser produzidas praticamente acabadas, necessitando de pouca ou nenhuma usinagem posterior, o que torna mínima a importância de adotarem-se ligas fáceis de usinar;
- O processo permite um rigoroso controle do tamanho e contornos dos grãos solidificação direcional e orientação granular, o que resulta em controle mais preciso das propriedades mecânicas;
- O processo pode adotar fusão sob atmosfera protetora ou sob vácuo, o permite a utilização de ligas que exijam tais condições.
- As dimensões de peso são limitados, devido a considerações econõmicas e físicas, e devido à capacidade do equipamento disponivel. O peso recomendado dessas peças não deve ser superior a 5kg.
- O investimento inicial para peças maiores(de ~5kg a 25kg)é muito elevado.
[editar] Etapas do processo de fundição de precisão pelo sistema de cera perdida
A partir da matriz:
- 1)A cera é injetada no interior da matriz para confecção dos modelos;
- 2)Os modelos de cera endurecida são ligados a um canal central;
- 3)Um recipiente metálico é colocado ao redor do grupo de modelos;
- 4)O recipiente é enchido com uma pasta refratária (investimento), para confecções do molde;
- 5)Assim que o material do molde endurecer, pelo aquecimento, os modelos são derretidos e deixam o molde;
- 6)O molde aquecido é enchido do metal líquido, sob ação de pressão, por gravidade, a vácuo ou por intermédio da força centrifuga:
- 7)O material do molde é quebrado e as peças fundidas são retiradas;
- 8)As peças são separadas do canal central e dos canais de enchimento, esmerilhadas.
[editar] Fundição Contínua
Neste processo, as peças fundidas são longas, com secções quadrada, retangular, hexagonal ou de formatos diversos. Em outras palavras, o processo funde barras de grande comprimento com as secções mencionadas, as quais serão posteriormente processadas por usinagem ou pelos métodos de conformação mecãnica no estado sólido. Em princípio, o processo consiste em vazar-se o metal líquido num cadinho aquecido. O metal líquido escoa através de matrizes de grafite ou cobre, resfriados na água.
[editar] Controle de Qualidade de peças fundidas:
- A inspeção de peças fundidas - como de peças produzidas por qualquer outro processo metalúrgico - tem dois objetivos:
- Rejeitar as peças defeituosas;
- Preservar a qualidade das matérias-primas utilizadas na fundição e a sua mão-de-obra.
- O controle de qualidade compreende as seguintes etapas:
- INSPEÇÃO VISUAL: usada para detectar defeitos visíveis, resultantes das operações de moldagem, confecção e colocação d os machos, de vazamento e limpeza;
- INSPEÇÃO DIMENSIONAL: é realizada geralmente em pequenos lotes produzidos, antes que toda a série de peças seja fundida;
- INSPEÇÃO METALÚRGICA: inclui análise química; exame metalográfico, para observação de microestrutura do material; ensaios mecânicos, para determinação de suas propriedades mecânicas; ensaios não-destrutivos, para verificar se os fundidos são totalmente 'perfeitos'.
Muitas vezes, uma inspeção, para ser completa, exige testes de uma montagem, onde são incluídas as peças fundidas, e onde simulam ou duplicam as condições esperadas em serviço.
[editar] Referências
- SORS,Lázló; BARDOOZ, Lazio; RADNOTI, Istivan. Plásticos Moldes e Matrizes. São Paulo: Editora Hermes. 490pg.
