Baixe Apostila Fundição e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia de Produção, somente na Docsity! Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado Introdução à Manufatura Mecânica PMR 2202 Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado Índice 1. Fundição 1.1. Solidificação de Metais e Ligas 1.1.1 Temperatura de vazamento. 1.1.2 Taxa de resfriamento. 1.1.3 Fluidez 1.1.4 Características do escoamento. 1.1.5 Contração de solidificação. 1.1.6 Transferência de calor no molde. 1.1.7 Tempo de solidificação. 1.2 Defeitos em peças fundidas. 1.3 Processos de fundição. 1.3.1 Fundição utilizando moldes de areia. 1.3.2 Fundição em casca (Shell-mold). 1.3.3 Fundição utilizando cera perdida. 1.3.4. Fundição por centrifugação. 1.3.5 Fundição a vácuo. 1.3.6 Fundição utilizando moldes permanentes. 1.3.7 Fundição sob pressão. 1.3.8 Fundição contínua. 1.3.9 Outros processos. 2. Metalurgia do Pó (Sinterização). 1. Fundição 1 Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado Fundição é um processo de fabricação onde um metal ou liga metálica, no estado líquido, é vazado em um molde com formato e medidas correspondentes aos da peça a ser produzida. A peça produzida por fundição pode ter as formas e dimensões definitivas ou não. Em muitos casos após a fundição, a peça é usinada para serem feitos ajustes dimensionais ou mesmo conformada mecanicamente (por exemplo, ser forjada), para que as formas e dimensões finais sejam obtidas. A figura 1 ilustra o processo de vazamento de metal no estado líquido em um molde. Figura 1. Processo de fundição. Vazamento de metal líquido em molde. Em muitos casos os processos de fundição apresentam algumas vantagens em relação a outros tipos de processos de fabricação, como no caso da produção de peças complexas e com cavidade internas, como pode ser observado na figura 2, ou na produção de peças muito grandes. Por outro lado, as propriedades mecânicas de peças fundidas geralmente são inferiores às propriedades de peças conformadas mecanicamente. Além disso, durante o processo de solidificação pode haver formação de porosidade. Os fatores que devem ser considerado para se escolher adequadamente o processo de fabricação são: 1. Quantidade de peças a produzir. 2. Projeto da fundição. 3. Tolerâncias requeridas. 4. Grau de complexidade. 5. Especificação do metal. 6. Acabamento superficial desejado. 7 Custo do ferramental. 8. Comparativo econômico entre usinagem e fundição. 9 Limites financeiros do custo de capital. 10 Requisitos de entrega. Figura 2. Peças produzidas por fundição. O material com o qual vai ser produzida a peça no processo de fundição parte do estado líquido. Logo aspectos relacionados com a solidificação de metais e ligas devem ser considerados. Esses aspectos são relacionados no próximos item. 1.1. Solidificação de Metais e Ligas 2 Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado Figura 6. Curvas de resfriamento ideais para o sistema Cu-Ni. 1.1.2 Taxa de resfriamento. A taxa de resfriamento tem efeito no desenvolvimento da estrutura do fundido, como mostra a figura 7. O critério que descreve a cinética da interface sólido-líquido é dado por G/R, onde G é o gradiente térmico e R é a taxa que a interface sólido-líquido se movimenta. Valores típicos de G são 102 a 103 K/m e para R valores que vão de 10-4 a 10-3 m/s. Estruturas dendríticas apresentam valores de G/R entre 105 e 107. Já para as frentes planas de solidificação, estes valores estão entre 1010 e 1012. Figura 7. Ilustração esquemática de frentes de solidificação (a) dendrítica colunar, (b) dendrítica equiaxial e (c) equiaxial. 1.1.3 Fluidez A capacidade de o metal líquido preencher as cavidades do molde é chamada de fluidez. A fluidez depende de características do metal e de parâmetros utilizados na fundição. No que se refere ao metal, a fluidez depende da viscosidade, tensão superficial, inclusões e padrão de solidificação da liga. No que se refere aos parâmetros de fundição, a fluidez depende do projeto do molde, material do molde e de seu acabamento superficial, grau de superaquecimento, taxa de vazamento e transferência de calor. A figura 8 ilustra dispositivo para teste de fluidez. 5 Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado Figura 8. Teste de fluidez. A fluidez é medida pela distância que o metal percorre antes de se solidificar. 1.1.4 Características do escoamento. A figura 9 ilustra o sistema por onde o metal líquido flui durante o processo de fundição. Figura 9. Funil de vazamento (pouring cup), massalote ou alimentador (riser), canal de alimentação (runner), canal de descida (sprue), canal de entrada (gate) , fundido (casting). O escoamento de metais e ligas líquidos superaquecidos é semelhante entre si e semelhante ao da água. É importante que o sistema de canais seja projetado de forma a reduzir a turbulência. Isso pode ser quantificado pelo número de Reynolds ( Re=v.d/ onde v é a velocidade do fluxo, d é o diâmetro hidráulico do canal e  é a viscosidade cinemática do líquido, que é dada pela viscosidade dinâmica dividida pela densidade do líquido. O valor de d é dado por al transversseção da perímetro canal do al transversseção da área x 4 ). Para Re até aproximadamente 2000 o fluxo é laminar. Para valores de Re entre 2000 e 20000 o fluxo apresenta uma mistura entre laminar e turbulento e acima 6 Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado de 20000, o fluxo é severamente turbulento. Para a maioria dos casos reais o fluxo se aproxima do turbulento. Isso permite que ocorram mais reações do metal líquido com formação de gases, o que não é bom, pois pode haver formação de bolhas. Essas bolhas de gás podem ficar presas e constituírem defeitos nas peças fundidas. 1.1.5 Contração de solidificação. A maioria dos metais comercialmente utilizados apresenta contração durante o processo de solidificação. Isso deve ser levado em conta na fabricação do molde, o que será discutido posteriormente. Para compensar essa contração existe no projeto do molde a adição de um recipiente para o metal líquido chamado de massalote. Esse massalote é a última parte a se solidificar e concentra a contração de solidificação. O massalote é retirado da peça após a solidificação e desmoldagem, sendo sucateado. A figura 10 ilustra o fenômeno de contração. A tabela 1 apresenta algumas variações de volume durante a solidificação. Figura 10. Ilustração esquemática do fenômeno de contração durante a solidificação. Tabela 1. Variação de volume durante a solidificação. A maioria dos materiais metálicos apresenta redução de volume (-), mas ou apresentam expansão (+). Metal Variação de volume Alumínio -6,0 Zinco -5,1 Ouro -4,2 Cobre -4,15 Magnésio -4,1 Cádmio -4,0 Ferro -3,0 Estanho -2,3 Antimônio +0,95 Gálio +3,2 Bismuto +3,35 Germânio +5,0 1.1.6 Transferência de calor no molde. Fatores como fluidez e taxa de resfriamento dependem da temperatura e portanto também da transferência de calor do molde. A figura 11 ilustra a distribuição de temperatura na interface da parede do molde durante a solidificação. 7 Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado Figura 14. Ocorrência de trincas a quente. Figura 15. Segregação em peças laminadas e forjadas. 5. Gases que são formados durante o processo de fundição podem formar bolhas tanto na superfície quanto no interior das peças. No interior das peças a porosidade formada pelos gases se diferencia dos microrechupes por apresentar formas mais aredondadas. 6. Presença de inclusões, que são não metálicos como SiO2 e MnO, causam diminuição das propriedades mecânicas das peças fundidas e podem comprometer os lingotes em processos posteriores de deformação plástica. 1.3 Processos de fundição. Os processos de fundição podem produzir peças já em sua forma e acabamento definitivos ou constituírem o processo inicial de peças que serão posteriormente conformadas e/ou usinadas. A 10 Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado fundição permite a fabricação de peças com formas bastante complexas e sem limitação de dimensões. Existe uma série de processos de fundição dentre eles: fundição por gravidade, sob pressão, por centrifugação, de precisão. Devem ser consideradas as seguintes etapas dentro dos processos de fundição, independentemente do processo adotado: desenho da peça, projeto do modelo, confecção do modelo, fusão do metal, vazamento no molde, limpeza e rebarbação e controle de qualidade. O projeto de uma peça a ser fundida deve levar em conta os fenômenos que ocorrem durante a solidificação tal como contração de solidificação, estrutura dendrítica, tensões de resfriamento e espessura das paredes (paredes muito finas não são preenchidas pelo metal líquido no molde). A figura 16 ilustra moldes e a figura 17 ilustra modelos para fundição, os quais são utilizados em processos de fundição onde não são utilizados moldes permanentes (ou perdidos). Os moldes podem ser feitos utilizando-se areia (não permanentes) ou mesmo ligas metálicas (permanentes). Os modelos são utilizados para dar a forma do fundido, quando são utilizados moldes não permanentes. Esses modelos podem ser feitos de madeira, de plástico ou de metal. A seleção do material do modelo depende do tamanho, forma, tolerâncias e quantidade de peças a serem produzidas. Os modelos devem ser facilmente retirados dos moldes e devem ser de tamanho que compense as contrações térmicas decorrentes da solidificação. Deve-se também deixar um sobremetal para posterior usinagem, quando for o caso. A figura 18 apresenta esquematicamente um modelo utilizado em processos de fundição. Figura 16. Moldes não-metálico e metálico (coquilha). Figura 17. Modelos para fundição 11 Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado Figura 18. Representação esquemática de modelo e os respectivos canais. Outros componentes importantes em fundição são os machos. Os machos são utilizados para preencher cavidades ou passagens da peça. O macho é colocado no molde antes do vazamento do metal líquido. Os machos, como os moldes, devem apresentar certa resistência, permeabilidade e devem ser quebradiços para poderem ser retirados com facilidade. Para se obter essas características, os machos são confeccionados a base de areia e aglomerados. A figura 19 ilustra esquematicamente a função de um macho em fundição. Os machos são normalmente secos em estufa em temperaturas entre 150 e 250oC. Figura 19. Ilustração esquemática de machos (cores). Os processos de fundição podem ser divididos, de uma forma bastante geral, em processos em que são utilizados moldes permanentes e moldes não permanentes. Os moldes não permanentes, ou moldes perdidos ou ainda temporários, são os moldes feitos de areia ou cerâmica. A fundição utilizando moldes de areia é apresentada na seqüência. 1.3.1 Fundição utilizando moldes de areia. O método mais tradicional utilizado em fundição é o de moldes de areia. Este processo consiste em assentar o modelo na areia, de forma a se obter a forma da peça a ser fundida no molde. Essa areia é disposta em caixas utilizadas em fundição, como mostra a figura 20. No molde em 12 Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado Figura 22. Ilustração esquemática do processo de fundição em areia. Figura 23. Compactação de areia na caixa de modelar. 15 Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado Figura 24. Fundição em areia verde. Figura 25. Ilustração esquemática do processo de moldagem plena. 1.3.2 Fundição em casca (Shell-mold). Existe ainda um outro processo importante, que utiliza areia, é o processo Shell ou fundição em casca. Esse processo consiste em utilizar um modelo de material metálico ferroso ou alumínio, que é aquecido entre 175 e 370oC. Sobre o modelo é feito um recobrimento de um material como o silicone. Esse modelo é então colocado dentro de uma caixa com areia e 2,5 a 4% de uma resina. A caixa é então movimentada, como mostra a figura 26. A areia fica então aderida à superfície do modelo. Essa “casca” (Shell) é curada por um período curto de tempo e será o molde para a posterior fundição da peça. O processo Shell tem grande aplicação na produção de peças como engrenagens, onde grande precisão e bom acabamento superficial são necessários. 16 Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado Figura 26. Fundição “Shell-mold” – fundição em casca. 1.3.3 Fundição utilizando cera perdida. O processo de utilizando cera perdida é ilustrado na figura 27. A primeira etapa desse processo consiste em injetar cera na matriz para a confecção dos modelos. Esses modelos de cera são conectados a um canal central. Sobre os modelos é depositada uma pasta refratária, que pode ser constituída por várias camadas, formando o molde. Quando o molde endurece, ele é aquecido para que a cera derreta e seja retirada do molde. Após a retirada da cera, o metal líquido é vazado no molde. Após a solidificação do metal ou liga, o molde é quebrado e são retiradas as peças, as quais são separadas do canal central e feito o acabamento final. A figura 28 apresenta o modelo de cera a as peças produzidas. 1.3.4. Fundição por centrifugação. Nesse processo o molde tem um movimento de rotação. A força centrifuga faz com que o metal líquido vá de encontro às paredes do molde, onde solidifica. O cilindro que atua como molde é rodeado por uma camisa de água. A figura 29 ilustra o processo de fundição por centrifugação. Tubos de ferro fundido, utilizados em suprimento de água, são produzidos dessa forma. 1.3.5 Fundição a vácuo. O processo de fundição a vácuo é ilustrado na figura 30. Esse processo é semelhante ao de fundição com areia verde. A diferença está na existência de vácuo que facilita o preenchimento do molde. 17 Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado Figura 31. Ilustração esquemática de lingoteiras (moldes permanentes para a produção de lingotes). Figura 32. Moldes metálicos para a produção de peças. 1.3.7 Fundição sob pressão. Os moldes metálicos utilizados em fundição sob pressão são chamados de matrizes. A matriz, feita de aço ferramenta tratado termicamente, é geralmente construída em duas partes que são fechadas hermeticamente no momento do vazamento do metal líquido. O metal é bombeado na cavidade da matriz sob pressão suficiente para o preenchimento total de todos os seus espaços e cavidades. A pressão é mantida até que o metal se solidifique. Então, a matriz é aberta e a peça ejetada por meio de pinos acionados hidraulicamente. Muitas matrizes são refrigeradas a água. Isso é importante para evitar superaquecimento da matriz, aumentando sua vida útil e evitando defeitos nas peças. 20 Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado A fundição sob pressão é automatizada e realizada em máquina de câmara quente, que é ilustrada na figura 33 e máquina de câmara fria, que é ilustrada na figura 34. Figura 33. Representação esquemática do processo de fundição sob pressão em câmara quente. Figura 34. Representação esquemática do processo de fundição sob pressão em câmara fria. O processo de fundição sob pressão realizado na máquina de câmara quente utiliza um equipamento no qual existe um recipiente aquecido (forno), onde o metal líquido está depositado. No seu interior está um pistão hidráulico que, ao descer, força o metal líquido a entrar em um canal que o leva diretamente à matriz. A pressão exercida pelo pistão faz com que todas as cavidades da matriz sejam preenchidas, formando-se assim a peça após a solidificação. Logo após a solidificação do metal, o pistão retorna à sua posição inicial, mais metal líquido entra na câmara, por meio de um orifício, e o processo reinicia. Já a máquina de fundição sob pressão de câmara fria é utilizada, quando a liga apresenta ponto de fusão elevado, prejudicando o sistema de bombeamento (cilindro e pistão). Este processo é empregado principalmente para fundir ligas de alumínio, magnésio e cobre. O princípio de funcionamento desse equipamento é o mesmo do equipamento que utiliza câmara quente. A diferença é que o forno que contém o metal líquido é uma unidade independente, de modo que o sistema de injeção não fica dentro do banho de metal. 21 Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado Como todo o processo de fabricação, a fundição sob pressão tem uma série de vantagens e desvantagens. As vantagens são: 1. peças de ligas como as de alumínio, fundidas sob pressão, apresentam maiores resistências do que as fundidas em areia; 2. as peças fundidas sob pressão podem receber tratamento de superfície com um mínimo de preparo prévio da superfície; 3. possibilidade de produção de peças com formas mais complexas; 4. possibilidade de produção de peças com paredes mais finas e tolerâncias dimensionais mais estreitas; 5. alta capacidade de produção; alta durabilidade das matrizes. As desvantagens são: 1. limitações no emprego do processo: ele é usado para ligas não-ferrosas, com poucas exceções; 2. limitação no peso das peças (raramente superiores a 5 kg.); 3. retenção de ar no interior das matrizes, originando peças incompletas e porosidade na peça fundida; 4. alto custo do equipamento e dos acessórios, o que limita seu emprego a grandes volumes de produção. A indústria automobilística utiliza uma grande quantidade de peças fundidas sob pressão: tampas de válvulas, fechaduras, carcaças de motor de arranque, maçanetas, caixas de câmbio de máquinas agrícolas. O mesmo acontece com a indústria aeronáutica, que utiliza peças fundidas principalmente de ligas de alumínio e magnésio. Essa variedade de produtos indica a importância desse processo de fabricação dentro do setor de indústria metal-mecânica. 1.3.8 Fundição contínua. O esquema apresentado na figura 35 ilustra um sistema de fundição contínua. Nesse processo o metal (ou liga) fundido escoa em matrizes, resfriadas com água. Durante o escoamento esse metal solidifica no formato dessas matrizes (quadrada, retangular, etc.) 1.3.9 Outros processos. 1. Solidificação direcional. Exemplo de aplicação: palhetas de turbina. Isso trás uma otimização da microestrutura, aumentando a resistência em fluência. A figura 36 ilustra a solidificação direcional. 2. 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. Isso gera um aumento do limite de solubilidade e redução da micro-segregação. A figura 37 ilustra o processo de melt spinning. 22 Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado No processo de metalurgia do pó a primeira etapa é a produção do pó. Esse pó pode ser produzido de várias formas e com diferentes características. A figura 39 ilustra algumas características que esse pó pode ter. Existem vários processos de se produzir pó. Um deles é o processo de atomização. No processo de atomização, apresentado na figura 40, o metal líquido passa por um orifício e é bombardeado por um gás inerte, ar ou água, produzindo um pó. Figura 39. Diferentes tipos de pó utilizados em metalurgia do pó. Figura 40. Processo de atomização. Esse pó pode ser também produzido por redução de óxidos, utilizando gases como hidrogênio e monóxido de carbono. Os pós produzidos por esse método são porosos e de tamanho uniforme. Outro processo de produção de pós é o eletrolítico. Nesse processo há deposição do pó metálico em um dos eletrodos. Existem também processos de produção de pós que são mecânicos. No processo de cominuição, por exemplo, o metal ou liga é moído até a produção do pó. A figura 41 ilustra o processo de cominuição. Um processo semelhante ao de cominuição, mas que utiliza diferentes tipos de metais é o “mechanical alloying”. Durante a moagem os diferentes metais reagem, produzindo uma liga na forma de pó. Embora existam outros processos esses são dos mais importantes. 25 Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado Figura 41. Processo de cominuição. Outra etapa do processo de metalurgia do pó a compactação. Os pós metálicos ou cerâmicos são compactados em matrizes, sendo prensados na forma desejada. Essa etapa é muito importante, pois além da forma, o prensado deve ter densidade alta, isto é, as partículas devem estar todas em contato umas com as outras. Quanto mais elevada a densidade do compactado melhor. Esse prensado é chamado de compactado verde. A figura 42 ilustra a influencia da densidade nas propriedades da peça (sinterizado). Figura 42. Influencia da densidade nas propriedades da peça (sinterizado). A compactação pode ser feita de várias formas. Uma das maneiras de se obter homogeneidade no prensado é se fazer uma compactação isostática. Essa compactação pode ser feita a frio (CIP-cold isostatic pressure), utilizando água, ou a quente (HIP-hot isostatic pressure), utilizando um gás ou outro fluido. Esses processos são apresentados esquematicamente nas figuras 43 e 44, respectivamente. Outras formas de se compactar os pós é por laminação, como mostra a figura 45, ou por processos de extrusão. 26 Introdução à Manufatura Mecânica – PMR 2202 - Processos de Fundição e Sinterização (Metalurgia do Pó) Profa. Izabel Machado Figura 43. Compactação isostática a frio (CIP). Figura 44. Compactação isostática a quente (HIP). Figura 45. Laminação de pós. 27