Fundição metalúrgica

Processos Metalúrgicos
PROF.: KAIO DUTRA
AULA 9-10 – FUNDIÇÃO

Fundamentos da Fundição de Metais
◦Fundição é um processo no qual metal
fundido flui pela força da gravidade, ou por
ação de outra força, num molde em que ele
solidifica com a forma da cavidade do
molde.
◦O termo fundido é aplicado ao componente
ou peça obtido por esse processo. O
principio da fundição parece simples: fundir
o metal, vertê-lo no molde e deixá-lo resfriar
e solidificar; no entanto, existem vários
fatores e variáveis que devem ser
considerados para resultar numa operação
bem-sucedida.
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Fundamentos da Fundição
de Metais
◦O processo de fundição inclui a fundição de
lingotes e a fundição de peças.
◦ O termo lingote é usualmente associado com a
indústria metalúrgica primária; ele descreve um
fundido de grande porte que possui forma
simples com o intuito de ser subsequentemente
conformado de maneira mecânica por processos
como laminação ou forjamento.
◦ A fundição de peças envolve a produção de
geometrias mais complexas que são muito mais
próximas da forma desejada final da peça ou do
produto.
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Processos de Fundição
◦A discussão sobre fundição se inicia
logicamente pelo molde. O molde contém a
cavidade cuja geometria determina a forma
da peça fundida. O tamanho e a forma reais
da cavidade devem ser ligeiramente
maiores, de modo a permitir a contração
que ocorre no metal durante a solidificação
e resfriamento.
◦Moldes são feitos de uma variedade de
materiais, incluindo areia, gesso, cerâmica e
metal.
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◦Num molde aberto o metal liquido é simplesmente vertido até
preencher a cavidade.
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◦Num molde fechado um caminho, denominado sistema de
alimentação, é previsto para permitir que o metal liquido flua da parte
externa do molde até a cavidade.
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◦Uma vez que o fundido se resfriou
suficientemente, ele é removido do
molde. Dependendo do método de
fundição e metal empregado, pode ser
necessário processamento posterior.
Este pode incluir remoção do excesso
de metal da peça fundida (rebarbação),
limpeza da superfície, inspeção do
produto e tratamentos térmicos para
melhorar suas propriedades.
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◦Processos de fundição se subdividem em
duas grandes categorias, de acordo com o
tipo de molde empregado: fundição em
moldes perecíveis e fundição em moldes
permanentes.
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◦Um molde perecível significa que o molde
no qual o metal liquido se solidifica deve
ser destruído para que se remova a peça
fundida. Esses moldes são fabricados com
areia, gesso, ou materiais similares, cuja
forma é mantida com o uso de
aglomerantes de diversos tipos. Fundição
em areia é o mais importante exemplo de
processos com molde perecível, no qual o
metal liquido é vazado num molde base
de areia. Após o metal solidificar e
adquirir resistência o molde precisa ser
sacrificado para a remoção do fundido.
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◦O molde permanente pode ser
utilizado diversas vezes para produzir
muitos fundidos. Ele é feito em metal
(ou, menos comumente, numa
cerâmica refrataria) que pode resistir
as elevadas temperaturas envolvidas
nas operações de fundição, Na
fundição em moldes permanentes, o
molde consiste em duas (ou mais)
seções que podem ser abertas para
permitir a remoção da peça acabada.
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Fundição em Moldes de Areia
◦Fundição em moldes de areia é, de longe, o processo de fundição mais
importante
◦O molde consiste em duas metades: parte superior e parte inferior.
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◦A parte superior é a metade de cima do molde, e aparte inferior, a de
baixo. Essas duas partes são contidas numa caixa de moldagem,
também bipartida. As duas metades do molde são separadas pela
linha de partição.
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◦Na fundição em areia a cavidade do molde
é formada a partir de um modelo, que é
feito de madeira, metal, plástico, ou outro
material, e tem a forma da peça que será
fundida.
◦O modelo é geralmente fabricado em
tamanho maior para permitir a contração
do metal quando ele solidifica e resfria. A
areia empregada na fabricação do molde é
úmida e contém um aglomerante para
manter sua forma.
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◦Adicionalmente, a peça pode ter
cavidades internas. As superfícies
internas são obtidas com o uso do
macho, um componente colocado
dentro do molde para definir a
geometria do interior da peça. Na
fundição em areia, os machos são em
geral fabricados em areia, embora
outros materiais possam ser usados,
como metais gesso e cerâmicas.
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◦Num molde de fundição, o sistema de
alimentação compreende o canal, ou rede
de canais, através dos quais o metal flui
do exterior para a cavidade do molde. O
sistema de alimentação tipicamente
consiste num canal de alimentação
através do qual o metal entra no canal de
distribuição e é conduzido à cavidade
principal. No topo do canal um funil de
vazamento em geral usado para
minimizar respingos e turbulência à
medida que o metal flui no canal de
alimentação.
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◦Adicionalmente ao sistema de
alimentação qualquer fundido que tenha
contração significante requer um
massalote conectado à cavidade
principal.
◦O massalote é um reservatorio de metal
que serve como uma fonte de metal
liquido para o fundido compensar a
contração durante a solidificação. O
massalote deve ser projetado para
resfriar após a pesa fundida de forma a
atender sua função.
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Aquecimento do Metal
◦Fornos de aquecimento de diversos tipos são usados para
aquecer um metal a uma temperatura suficiente para a fundição.
◦A energia térmica requerida é a soma do calor para aumentar a
temperatura até a temperatura de fusão mais o calor de fusão
para converte-lo do estado solido ao líquido mais o calor para
que o metal liquido atinja a temperatura adequada ao
vazamento.
◦H=ρV(Cs(Tf-To)+Hf+Cl(Tv-Tf))
◦Esta equação tem valor conceitual.
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Vazamento do Metal Fundido
◦Após a etapa de aquecimento e fusão, o metal
está pronto para o vazamento. A introdução
do metal fundido no molde, incluindo seu
fluxo por meio do sistema de canais e na
cavidade do molde, é uma etapa critica do
processo de fundição. Para que essa etapa
seja bem-sucedida, o metal deve atingir todas
as regiões do molde antes da solidificação.
Fatores que afetam a operação de vazamento
incluem temperatura de vazamento,
velocidade de vazamento e turbulência.
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Engenharia dos Sistemas de Vazamento
◦Existem diversas correlações que governam o fluxo do metal
líquido através do sistema de alimentação e dentro do molde.
Uma importante correlação é o teorema de Bernoulli, que afirma
que a soma das energias (altura, pressão, cinética e fricção) em
quaisquer dois pontos do fluxo metálico é igual. Ele pode ser
escrito da seguinte forma:
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𝒉𝟏 +
𝒑𝟏
𝝆
+
𝑽𝟏
𝟐
𝟐𝒈
+ 𝒇𝟏 = 𝒉𝟐 +
𝒑𝟐
𝝆
+
𝑽𝟐
𝟐
𝟐𝒈
+ 𝒇𝟐

◦Se ignorarmos perdas por ficção e assumimos que o sistema
permanece sob pressão atmosférica o tempo todo, então a
equação pode ser reduzida a:
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𝒉𝟏 +
𝑽𝟏
𝟐
𝟐𝒈
= 𝒉𝟐 +
𝑽𝟐
𝟐
𝟐𝒈

◦Definimos o ponto 1 no topo do canal e o ponto 2 em sua base.
Se o ponto 2 for usado como plano de referência, então a altura
nesse ponto será zero e h1 é a altura do canal. Quando o metal é
vazado na bacia de vazamento e transborda do canal, sua
velocidade inicial no topo é zero. Assim a equação pode ser
simplificada:
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𝒉𝟏 =
𝑽𝟐
𝟐
𝟐𝒈

◦Definimos o ponto 1 no topo do canal e o ponto 2 em sua base.
Se o ponto 2 for usado como plano de referência, então a altura
nesse ponto será zero e h1 é a altura do canal. Quando o metal é
vazado na bacia de vazamento e transborda do canal, sua
velocidade inicial no topo é zero. Assim a equação pode ser
simplificada:
◦Que pode ser resolvida para determinar a velocidade do fluxo:
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𝒉𝟏 =
𝑽𝟐
𝟐
𝟐𝒈
𝑽𝟐 = 𝟐𝒈𝒉

◦ Outra correlação importante durante o vazamento é a lei
da continuidade:
◦ Assumindo que o canal de distribuição que vai da base do
canal de alimentação até a cavidade do molde horizontal,
a vazão através do canal e dentro da cavidade do molde
permanece igual a VA. Consequentemente, podemos
estimar o tempo requerido para encher a cavidade de um
molde de volume V como:
◦ A equação deve fornecer o tempo mínimo. Isto porque a
análise feita ignora perdas por ficção e possível restrição
do fluxo dentro do sistema de alimentação.
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𝑸 = 𝑽𝟏𝑨𝟏 = 𝑽𝟐𝑨𝟐
𝑻𝒆𝒎 =
𝑽
𝑸

Exemplo 5.1
◦Um canal de alimentação de um molde tem 20cm de
comprimento, e a área da seção transversal na base é igual a
2,5cm². O canal alimenta um canal de distribuição horizontal até a
cavidade do molde cujo volume é 1560cm³. Determine: (a)
Velocidade do metal fundido na base do canal, (b) vazão do
líquido, e (c) tempo para encher o molde.
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Solidificação dos Metais
◦A solidificação envolve a
transformação do metal
novamente para o estado
sólido. O processo de
solidificação difere se o metal
for um elemento puro ou uma
liga.
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Solidificação dos Metais Puros
◦Um metal puro solidifica a uma
temperatura constante,
temperatura de solidificação,
que é igual à temperatura de
fusão. O ponto de fusão de
metais puros é bem conhecido
e documentado. O processo
ocorre ao longo do tempo
como mostrado na figura,
denominada curva de
resfriamento.
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◦A solidificação propriamente dita
leva um tempo, chamado tempo
de solidificação local do fundido,
durante o qual o calor latente de
fusão é liberado para o molde. O
tempo de solidificação total é o
tempo entre o vazamento e o fim
da solidificação. Após o fundido
estar totalmente solidificado, o
resfriamento continua a uma taxa
indicada pela inclinação da curva
de resfriamento.
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◦ O metal que forma a camada inicial foi de modo
rápido resfriado pela extração de calor por meio
das paredes do molde. Esse resfriamento causa a
formação de grãos finos e aleatoriamente
orientados na camada solidificada. Com a
continuação do resfriamento, grãos adicionais são
formados e crescem na direção contrária da
transferência de calor. Uma vez que a transferência
de calor ocorre por meio da camada e da parede do
molde, os grãos crescem para o interior como
agulhas ou protuberâncias de metal sólido. Esse
tipo de crescimento é referido como crescimento
dendrítico.
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Solidificação dos Ligas Metálicas
◦A maioria das ligas solidifica
numa faixa de temperatura ao
invés de numa única
temperatura. Solidificação de
uma liga pode ser explicada
com a ajuda do diagrama de
fases de uma liga particular e a
curva de resfriamento para
uma determinada composição.
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◦ O inicio da solidificação é similar ao que ocorre com
o metal puro. Uma fina camada sólida é formada na
parede do molde devido ao grande gradiente de
temperatura nessa superfície.
◦ Devido diferença entre as temperaturas e liquidus e
solidus, a natureza do crescimento dendrítico é tal
que uma frente de solidificação é formada, na qual
metal solido e metal liquido coexistem, denominada
de zona pastosa.
◦ Outro aspecto que complica a solidificação de ligas
é que a composição das dentistas em seu início de
formação é mais rica nos elementos de mais alta
temperatura de fusão.
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◦No nível macroscópico, a composição
química varia ao longo da peça fundida.
Uma vez que regiões do fundido que
solidificam primeiro são mais ricas num
dado componente, no momento que a
solidificação ocorre na parte central, o
metal liquido remanescente estará
empobrecido naquele elemento de liga.
Assim, há uma segregação geral ao longo
da seção transversal da peça, algumas
vezes denominada segregação de lingote.
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◦Ligas eutéticas constituem uma exceção
ao processo geral pelo qual as ligas
solidificam. A liga eutética é uma
composição particular de um sistema de
ligas no qual temperatura sólidos é igual
temperatura líquidos. Assim, a
solidificação ocorre a temperatura
constante (denominada temperatura
eutética) em vez de se dar num intervalo
de temperatura.
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Tempo de Solidificação
◦O tempo total de solidificação é o tempo
requerido para, após o vazamento, o
fundido solidificar. Esse tempo é
dependente do tamanho e forma do
fundido por uma equação empírica
conhecida como Regra de Chvorinov:
◦Onde Tts=tempo total de solidificação, min;
V=volume do fundido, cm³; A=área
superficial do fundido, cm²; n=exponencial,
sendo usualmente utilizado o valor 2; e Cm
é a constante do molde.
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𝑻𝑻𝒔 = 𝑪𝒎
𝑽
𝑨
𝒏

Tempo de Solidificação
◦A Regra de Chvorinov indica que uma peça
fundida com maior razão volume/área
resfriará e solidificará de forma mais lenta
que uma peça com menor razão.
◦Esse principio é bastante utilizado no
projeto de massalotes de um molde. Para
atender função de alimentar com metal
fundido a cavidade principal do molde, o
metal no massalote precisa permanecer no
estado liquido mais tempo que a peça.
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𝑻𝑻𝒔 = 𝑪𝒎
𝑽
𝑨
𝒏

Contração de Solidificação
◦A contração ocorre em três estapas:
◦ Contração do líquido durante o resfriamento
antes da solidificação;
◦ Contração durante a transformação de fase do
líquido para o sólido, denominada contração de
solidificção;
◦ Contração térmica do fundido solidificado
durante seu resfriamento até a temperatura
ambiente.
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Contração de Solidificação
◦Na tabela estão apresentados valores de concentração linear típicos de
diferentes matérias.
◦Fabricantes de modelos levam em cona a contração térmica ao
produzir cavidades de moldes superdimensionadas. O quanto maior
deve ser o molde relativo ao tamanho final do fundido é chamado
compensação do modelo para contração.
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Contração Direcional
◦De modo a minimizar os efeitos nocivos da contração, é desejável que
as regiões da peça mais distantes do ponto de suprimento do metal
liquido solidifiquem primeiro e a solidificação progrida dessas regiões
remotas até o(s) massalote(s).
◦O termo solidificação direcional é utilizado para descrever esse aspecto
do processo de solidificação e os métodos pelos quais pode ser
controlado. A desejada solidificação direcional é obtida seguindo a
Regra de Chvorinov no projeto do fundido propriamente dito, na sua
posição no molde e no projeto do sistema de massalotes que
alimentarão a peça.
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Projetos de Massalotes
◦Como descrito anteriormente, um massalote, é usado em moldes de
fundição em areia para alimentar a peça com metal liquido durante a
solidificação, de forma a compensar a contração de solidificação.
◦A Regra de Chvorinov pode ser empregada para calcular o tamanho do
massalote que satisfaça esse requisito.
◦O massalote representa desperdício de metal, pois será separado da
peça fundida e refundido para fabricar outras peças. É desejável que o
volume de metal no massalote seja o mínimo.
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Projetos de Massalotes
Exemplo 5.2
◦Um massalote cilíndrico para um molde de fundição em areia deve ser
projetado. A peça fundida é uma placa retangular em aço com
dimensões 7,5cm X 12,5cm X 2,0cm. Observações prévias indicaram
que o tempo total de solidificação para essa peça é de 1,6min. O
cilindro do massalote deverá ter uma razão diâmetro/altura=1.
Determine as dimensões do massalote para que Tts deste seja de 2min.
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Fundição em Areia
◦Quase todas as ligas podem ser
fundidas em moldes de areia; de fato, é
um dos poucos processos que podem
ser usados com metais de alto ponto de
fusão, como aços, níquel, e titânio. Sua
versatilidade permite fundir peças
variando em tamanho de pequenas a
muito grandes e em quantidade
produzida, de uma até milhões.
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Fundição em Areia
◦Fundição em areia, também chamada
fundição em molde de areia, consiste em
vazar o metal fundido num molde em
areia, deixando o metal solidificar, e,
depois, quebrar o molde para remover a
peça.
◦A partir dessa breve descrição, observa-se
que a fundição em areia inclui não
somente as operações de fundição
propriamente ditas, mas também a
confecção do modelo e do molde.
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Fundição em Areia – Modelos e Machos
◦A fundição em areia requer um modelo, uma
reprodução em tamanho real da peça, com
dimensões maiores para considerar a contração
de solidificação e as tolerâncias para usinagem
da peça fundida acabada. Materiais
empregados na confecção de modelos incluem
madeira, plásticos e metais.
◦A seleção de um material apropriado para um
modelo depende, em grande parte, da
quantidade total de fundidos a serem
produzidos.
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◦Existem vários tipos de modelos:
◦ Modelo sólido (individual): com mesma geometria
da peça, ajustada no tamanho para a contração de
solidificação e a usinagem. Embora, seja o modelo
de mais fácil fabricação, ele não é o de mais fácil
emprego na confecção do molde em areia. Com um
modelo individual, a determinação da localização da
linha de partição entre as duas metades do molde
pode ser um problema.
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◦ Modelos bipartidos: consistem em duas peças, cujo
plano de separação coincide com a linha de
partição do molde. Modelos bipartidos são
apropriados para peças com geometrias complexas
e quantidades moderadas de produção. A linha de
partição do molde é predeterminada pelas duas
metades do modelo.
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◦ Placa-modelo: para a produção de grandes
quantidades, placas-modelo são usadas. Numa
primeira opção, cada metade do modelo é
fixada num lado de uma placa de madeira ou
metal, e o conjunto pode ser chamado placa
reversível.
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◦Os modelos definem a forma externa do
componente fundido. Se o fundido tiver
superfícies internas, um macho será
necessário. Um macho é um modelo em
tamanho natural do interior das superfícies
do componente. Ele é inserido na cavidade
do molde antes do vazamento, de tal
forma que o metal fundido flui e solidifica
no espaço entre a cavidade do molde e o
macho, formando ao mesmo tempo as
superfícies externa e interna.
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◦Dependendo da geometria do
componente, o macho pode
necessitar de suportes para mantê-lo,
durante o vazamento, em posição
dentro do molde. Esses suportes,
denominados chapelins, são fabrica-
dos em metal com temperatura de
fusão maior que a do metal fundido.
Por exemplo, chapelins em aço
poderiam ser usados na moldagem de
peças de ferro fundido. Com o
vazamento e a solidificação, os
chapelins ficam unidos ao fundido.
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Fundição em Areia – Moldes
◦As areias de fundição são constituídas de sílica
(SiO2) ou sílica misturada com outros minerais.
A areia deve possuir boas propriedades
refratárias, capacidade para suportar altas
temperaturas sem fusão ou outro tipo de
degradação. Outras importantes características
da areia incluem tamanho de grão, distribuição
granulométrica e a forma dos grãos individuais.
Grãos finos resultam no melhor acabamento
superficial da peça fundida, mas grãos
grosseiros são mais permeáveis (para permitir o
escape dos gases durante o vazamento).
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◦ Na confecção do molde, os grãos de areia são
mantidos unidos por uma mistura de água e argila
como aglomerante. Uma típica mistura (em volume) é
90% areia, 3% água e 7% argila. Outros agentes
aglomerantes podem ser usados em substituição à
argila, incluindo resinas orgânicas e aglomerantes
inorgânicos. Além da areia e do aglomerante, aditivos
são algumas vezes adicionados à mistura para
melhorar propriedades como resistência mecânica
e/ou permeabilidade do molde.
◦ Para formar a cavidade do molde, o método
tradicional é compactar a areia de moldagem ao
redor do modelo para formar ambas as partes
(superior e inferior) do molde num contêiner
chamado caixa de moldagem.
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◦ Diversos indicadores são usados para determinar a qualidade do molde
em areia:
◦ Resistência mecânica: habilidade do molde para manter sua forma e resistir à
erosão causada pelo fluxo de metal líquido; depende do formato dos grãos e das
qualidades adesivas do aglomerante;
◦ Permeabilidade: capacidade do molde de permitir que o ar quente e os gases
oriundos das operações fundição passem através dos vazios da areia;
◦ Estabilidade térmica: habilidade da camada de areia da superfície do molde de
resistir ao trincamento e empenamento após o contato com o metal fundido;
◦ Colapsibilidade: habilidade do molde de desmoronar, permitindo que o fundido
se contraia sem a formação de trincas na peça fundida, também se refere à
habilidade de remover a areia do fundido durante as operações de limpeza;
◦ Reutilização: capacidade de reutilizar a areia oriunda do molde destruído.
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◦ Moldes em areia são geralmente classificados como:
◦ Moldes em areia-verde: são confeccionados com uma mistura de areia, argila e água, e
a palavra verde se refere ao fato de que o molde contém umidade no momento do
vazamento. Os moldes em areia-verde possuem resistência mecânica suficiente para a
maioria das aplicações, boa colapsibilidade, boa permeabilidade, boa reutilização, e são
os moldes menos caros.
◦ Moldes em areia-seca: são confeccionados usando aglomerantes orgânicos de
preferência à argila, e o molde é estufado num fomo de grande porte a temperaturas
variando de 200 ° C a 320°C (400°F a 600°F). A secagem em estufa aumenta a
resistência do molde e endurece superficialmente a cavidade. Um molde em areia-seca
garante melhor controle dimensional do produto fundido, comparado com a moldagem
em areia-verde. Entretanto, moldagem em areia-seca é mais cara, e a produtividade é
reduzida por causa do tempo gasto na secagem.
◦ Molde-seco na superfície: neste caso as vantagens do molde em areia-seca são
parcialmente atingidas pela secagem da superfície de um molde em areia-verde até
profundidades de 10 a 25 mm da cavidade do molde, usando maçaricos, lâmpadas
aquecedoras ou outros meios.
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Moldagem em Casca – Shell-Molding
◦Trata-se de um processo de
fundição no qual o molde é
uma casca fina confeccionado
em areia, cujos grãos são
úmidos com uma resina
aglomerante termofixa.
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Moldagem em Casca – Shell-Molding
◦O processo shell-molding apresenta várias
vantagens. A superfície da cavidade do
molde é menos rugosa que a do molde em
areia-verde convencional, e essa baixa
rugosidade facilita o fluxo de metal líquido
durante o vazamento e o melhor
acabamento superficial da peça fundida.
Boa acurácia dimensional é também
alcançada.
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Poliestireno Expandido
◦ O processo de fundição com poliestireno expandido usa um molde com areia
compactada ao redor de um molde em espuma de poliestireno que é vaporizada
quando o metal fundido é vazado no molde. O modelo em espuma inclui o canal
de descida, massalotes e o sistema de canais, e pode também conter machos
internos. Como o modelo em espuma se torna a cavidade do molde,
considerações sobre o ângulo de saída e linha de partição também podem ser
ignoradas. O molde não precisa ser aberto em seções.
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Poliestireno Expandido
◦O molde é em geral recoberto com um
composto refratário para garantir uma
superfície lisa a fim de melhorar sua
resistência a altas temperaturas.
◦Uma vantagem significativa desse
processo é que o modelo não precisa ser
removido do molde. Isto simplifica e
torna mais rápida a confecção do molde.
◦O processo tem sido aplicado à produção
em massa de fundidos para motores de
automóveis, nos quais se emprega um
sistema automatizado para a confecção
de modelos de espuma de poliestireno.
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Fundição de Precisão
◦Na fundição de precisão, um modelo
feito em cera é recoberto com um
material refratário para fabricar o
molde, após a cera ser derretida
antes do vazamento do metal
fundido. O termo investment vem de
uma das menos conhecidas
definições para a palavra invest, que
significa recobrir totalmente.
◦É um processo de precisão, pois é
capaz de produzir fundidos com
elevada acurácia e detalhes
intrincados.
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◦A produção de modelos é usualmente
realizada por uma operação de moldagem,
vazamento ou injeção da cera quente numa
matriz padrão projetada com as tolerâncias
adequadas à contração de ambos: cera e,
em seguida, o metal fundido.
◦Em operações de elevada produção, vários
modelos são fixados num canal, também
feito em cera, para formar uma árvore-
modelo, esse conjunto é que será fundido
no metal.
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◦As vantagens da fundição de precisão incluem:
◦ Peças de grande complexidade e com ramificações podem ser
fundidas;
◦ Controle dimensional estreito tolerâncias;
◦ Bom acabamento superficial;
◦ Com frequência, a cera pode ser recuperada e reutilizada;
◦ Usinagem adicional não é usualmente necessária.
◦Todos os tipos de metais, incluindo aços, aços inoxidáveis e
outras ligas resistentes a altas temperaturas, podem ser
fundidos por esse processo.
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Fundição por Molde de Gesso e Cerâmico
◦ Fundição em molde de gesso é similar à fundição em
areia, exceto que o molde é confeccionado em gesso em
vez de areia.
◦ Para confeccionar o molde, a mistura de gesso com água
é vertida sobre um modelo plástico ou metálico que está
dentro da caixa e deixada curar.
◦ A consistência fluida permite que a mistura de gesso flua
de imediato no entorno do modelo, capturando seus
detalhes e acabamento superficial.
◦ O molde precisa esperar cerca de 20 minutos antes de o
modelo ser extraído. O molde é então estufado por várias
horas para remover a umidade. Mesmo com a estufagem,
nem toda a umidade do gesso é removida.
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◦Uma das desvantagem do molde em gesso é que ele não é
permeável limitando assim a saída dos gases da cavidade do
molde. Esse problema pode ser resolvido de vários modos:
◦ Evacuando o ar da cavidade do molde antes do vazamento;
◦ Aerando a lama de gesso antes da confecção do molde, de forma
que o gesso resultante, quando endurecido, contenha vazios
finamente dispersos;
◦ Usando composição e tratamento especiais do molde, conhecido
como processo Antioch. Esse processo envolve o uso de cerca de
50% de areia misturada com o gesso, aquecimento do molde numa
autoclave e, então, secagem.
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◦Moldes em gesso não podem ser expostos
às mesmas altas temperaturas que os
moldes em areia. Eles são, portanto,
limitados à fundição de ligas com baixo de
como ponto fusão, alumínio, magnésio e
algumas ligas à base de cobre.
◦As vantagens da fundição com molde em
gesso para essas aplicações são bons
acabamento superficial, acurácia
dimensional e a capacidade de obter
fundidos com seções transversais finas.
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◦Fundição em molde cerâmico é
similar à fundição em gesso,
exceto que o molde é fabricado
em materiais cerâmicos refratários
que podem ser expostos a
temperaturas mais elevadas gesso.
Dessa forma, moldagem em
cerâmica pode ser usada para
fundir aços, ferros fundidos e
outras ligas resistentes a altas
temperaturas.
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Fundição em Molde Permanente
◦A fundição em molde permanente emprega
um molde metálico que é construído em
duas seções, que são projetadas para
abertura e fechamento simples e preciso.
Esses moldes são comumente
confeccionados em aço ou ferro fundido.
◦Os metais comumente fundidos em molde
permanente incluem alumínio, magnésio,
ligas à base de cobre e ferro fundido.
Entretanto, ferro fundido requer elevada
temperatura de vazamento o que impacta
na vida do molde.
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◦Machos podem ser usados em
moldes permanentes para formar as
superfícies internas do produto
fundido. Os machos podem ser
confeccionados em metal, mas sua
forma deve permitir sua remoção do
fundido ou eles devem ser
mecanicamente colapsáveis para
permitir sua retirada.
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◦Na preparação para a fundição, o
molde é primeiro aquecido, e
uma ou mais camadas de
recobrimento são aspergidas na
cavidade. O preaquecimento
facilita o fluxo de metal por meio
do sistema de canais e na
cavidade. O recobrimento ajuda a
dissipação de calor e lubrifica a
superfície do molde para facilitar
a remoção da peça fundida.
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◦ Vantagens da fundição em molde permanente
incluem bom acabamento superficial e controle
dimensional estreito. Adicionalmente, a
solidificação mais rápida, em consequência do
contato do metal com o molde metálico, resulta
numa estrutura mais refinada assim são
produzidos fundidos com maior resistência
mecânica. O processo é em geral limitado a metais
de baixo ponto de fusão. Outras limitações
incluem peças com geometrias mais simples
comparadas com a fundição em areia e o custo do
molde. O processo é mais adequado a altos
volumes de produção e, portanto, pode ser
automatizado. Peças típicas incluem pistões
automotivos, carcaças de bombas e certos
fundidos para aeronaves e misseis.
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Fundição Sob Pressão
◦A fundição sob pressão é um
processo de fundição em molde
permanente no qual o metal
fundido é injetado na cavidade do
molde sob alta pressão. A pressão
é mantida durante a solidificação,
após o molde ser aberto e a peça
removida.
◦Existem dois tipos principais de
máquinas de fundição sob pressão:
◦ Câmara quente;
◦ Câmara- fria.
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◦ Em máquinas com câmara quente, o
metal é fundido num contêiner anexo à
máquina, e um êmbolo é usado para
injetar o metal liquido sob alta pressão
na matriz. Pressões típicas de injeção vão
de 7 a 35 MPa. É comum encontrar taxas
de produção de até 500 peças por hora.
◦ Esse processo é limitado em suas
aplicações a metais de baixo ponto de
fusão que não ataquem quimicamente o
embolo e outros componentes
mecânicos. Os metais incluem zinco,
estanho, chumbo e, às vezes, magnésio.
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◦ Em máquinas de fundição sob pressão com
câmara fria, metal fundido é vazado numa
câmara não aquecida a partir de um
contêiner externo contendo o metal, e um
êmbolo é usado para injetar o metal sob
alta pressão na cavidade da matriz.
◦ Pressões de injeção usadas nessas
maquinas vão, tipicamente, de 14 a 140
MPa. Comparado às máquinas com câmara
quente, os ciclos são em geral mais longos
devido à necessidade de transferir o metal
liquido de uma fonte externa até a câmara.
◦ As máquinas com câmara fria são
tipicamente usadas para fundição de
alumínio, latão e ligas de magnésio.
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◦ Moldes empregados nas operações de fundição sob pressão são usualmente
confeccionados em aços ferramenta, aço médio-carbono, ou aço maraging.
◦ Os materiais da matriz não têm naturalmente porosidade, desta forma, o metal
fundido flui rápido para dentro da matriz durante a injeção, furos e canais de
ventilação devem ser construídos na linha de partição das matrizes para evacuar
o ar e gases da cavidade.
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◦As vantagens da fundição sob pressão incluem:
◦ Possibilidade de elevada taxa de produção;
◦ Economicamente viável para a produção de grandes lotes;
◦ Possibilidade de tolerâncias estreitas;
◦ Bom acabamento superficial;
◦ Seções finas são possíveis até cerca de 0,5 mm;
◦ Resfriamento rápido gera tamanho de grão pequeno e fundido com
boa resistência mecânica.
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Fundição Centrífuga
◦A centrifugação se refere a
diversos métodos de fundição
nos quais o molde é girado a
elevadas velocidades, de modo
que a força centrifuga distribui o
metal fundido às regiões
periféricas da cavidade da
matriz. Aqui, descreveremos o
processo usado para peças
fundidas tubulares, denominado
fundição centrifuga verdadeira.
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◦ Na fundição centrifuga verdadeira, o metal fundido é vazado num molde
giratório para produzir uma peça tubular. O metal fundido é vazado numa das
extremidades de um molde horizontal giratório. A alta velocidade de rotação
resulta em forças centrifugas que fazem com que o metal tome a forma da
cavidade do molde. Assim, a forma externa do fundido pode ser esférica,
octogonal, hexagonal etc. Entretanto, a forma interna do fundido é (em termos
teóricos) perfeitamente esférica devido às forças radiais simétricas.
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◦A força centrífuga é definida
pela equação física:
◦O Fator-G (FG) é a razão entre
a força centrífuga dividida pelo
peso:
◦Transformando a velocidade
linear em rotação, temos:
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◦Se, na fundição centrifuga verdadeira, o fator- G for muito
baixo, o metal líquido não permanecerá forçado contra o
molde durante a metade superior do caminho circular e cairá
como "chuva" no interior da cavidade. Numa base empírica,
valores de FG 60 a 80 são considerados apropriados para a
fundição centrifuga horizontal, embora isto dependa de
alguma forma do metal que está sendo fundido.
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Exemplo 6.1
◦Uma operação de fundição centrifuga verdadeira será
realizada horizontalmente para produzir seções de tubos em
cobre com De=25 cm e D=22,5 cm. Que velocidade de
rotação é requerida se um Fator-G de 65 é usado para fundir
o tubo?
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Fornos de Fundição
◦Os tipos de fornos mais comumente utilizados em
fundições são:
◦ Cubilôs;
◦ Fornos diretos a combustível;
◦ Fomos a cadinho;
◦ Fornos elétricos a arco;
◦ Fornos de indução.
◦A seleção do tipo de fomo mais apropriado
depende de fatores como a liga fundida; suas
temperaturas de fusão e vazamento; capacidade
do forno; custos de investimento, operação e
manutenção, e considerações sobre poluição
ambiental.
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Cubilôs
◦ O cubilô é um forno cilíndrico vertical equipado com
uma bica de vazamento próxima à sua base. Cubilôs são
empregados apenas para a fusão de ferros fundidos, e,
embora outros fornos também possam ser usados, a
maior tonelagem de ferro fundido é produzida em
cubilôs.
◦ A carga consistindo em ferro, coque, fundente e
possíveis elementos de liga, é introduzida pela porta de
carregamento localizada abaixo da metade da altura do
cubilô. O ferro é normalmente uma mistura de ferro-
gusa e sucata (incluindo massalotes, canais de descida e
demais canais que são removidos de fundidos
anteriores). O coque é o combustível usado para
aquecer o forno. Para a combustão do coque, ar forçado
é introduzido pelas aberturas próximas ao fundo da
carcaça.
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Fornos Diretos a Combustível
◦O forno direto a combustível contém
uma pequena soleira aberta, na qual
a carga metálica é aquecida por
queimadores a combustível
localizados lateralmente no forno.
◦O combustível típico é o gás natural, e
os produtos de combustão saem do
forno por uma chaminé. Fornos
diretos a combustível são em geral
usados na fusão de metais não
ferrosos como ligas à base de cobre e
alumínio.
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Fornos a Cadinho
◦Esses fornos fundem o metal sem contato direto com a
mistura combustivel. Por essa razão, eles são algumas vezes
chamados fornos indiretos. Três tipos de fornos a cadinho
são empregados em fundição:
◦ Cadinho-removível;
◦ Cadinho fixo;
◦ Cadinho-basculante.
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Fornos a Cadinho
◦ No forno cadinho removível, o cadinho é colocado num forno e aquecido o
suficiente para fundir a carga metálica. Óleo e gás, ou carvão pulverizado são
combustíveis típicos desses fornos. Quando o metal é fundido, o cadinho é
removido do forno e usado como uma panela de vazamento.
◦ No caso do cadinho-fixo, o forno é fixo, e o metal liquido é removido do contêiner.
◦ No cadinho-basculante, o conjunto é basculado para o vazamento.
◦ Fomos a cadinho (dos três tipos) são usados para fundir metais não ferrosos como
bronze latão e ligas de zinco e de alumínio.
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Fornos a Arco Elétrico
◦Nesse tipo de forno a carga é fundida
pelo calor gerado a partir de um arco
elétrico, que flui entre dois ou três
eletrodos e a carga metálica. O consumo
de energia é elevado, mas fornos a arco
elétrico podem ser projetados com
elevadas capacidades de fusão, e são
usados principalmente para fundir aço.
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Fornos de Indução
◦O forno de indução utiliza corrente alternada
passando por uma bobina para criar um
campo magnético no metal, e a corrente
induzida resultante causa rápido
aquecimento e fusão do metal. O campo de
força eletromagnética tem sobre o metal
liquido uma ação misturadora, que leva à
homogeneização do banho.
◦Fusão de aço, ferro fundido e ligas de
alumínio são aplicações comuns na fundição.
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Vazamento, Limpeza e Tratamento
Térmico
◦A movimentaçãoo do metal fundido do forno de fusão até o
molde é, algumas vezes, feita usando cadinhos. Mais
frequentemente, a transferência é realizada em panelas de
diversos tipos.
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Vazamento, Limpeza e Tratamento
Térmico
◦Após a solidificação e remoção do fundido do molde, uma
série de etapas adicionais são em geral necessárias. Essas
operações incluem:
◦ Rebarbação;
◦ Remoção do macho;
◦ Limpeza da superfície;
◦ Inspeção;
◦ Reparo;
◦ Tratamento.
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Qualidade do Fundido
Defeitos de Fundição
◦Durante a operação de fundição, há numerosas
oportunidades para algo dar errado resultando num
produto fundido com defeitos. Segue alguns destes
possíveis defeitos:
◦ Falha de preenchimento: aparece em fundidos que solidificam
ante que de a cavidade do molde estar totalmente preenchida.
As causas típicas incluiem:
◦ Fluidez do metal do insuficiente;
◦ Temperatura de vazamento muito baixa;
◦ Vazamento feito de forma muito lenta;
◦ Seção transversal do fundido muito fina
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◦Durante a operação de fundição, há
numerosas oportunidades para algo dar
errado resultando num produto fundido
com defeitos. Segue alguns destes
◦ Delaminação: ocorre quando duas porções do
metal fluem juntas, mas falta fusão das duas
frentes devido à solidificação prematura. As
causas são similares às da preenchimento;
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com defeitos. Segue alguns destes
◦ Gotas frias: resultam do respingo durante o
vazamento, causando a formação de grânulos
sólidos de metal que ficam aprisionados no
fundido. Procedimentos de vazamento e projeto
de sistema de canais que evite os respingos
podem evitar esse defeito.
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com defeitos. Segue alguns destes possíveis
defeitos:
◦ Cavidade de contração: é a depressão na
superfície ou um vazio interno no fundido,
causado pela contração de solidificação que
restringe a quantidade de metal fundido
disponível na última região a se solidificar. Este
problema é muitas vezes resolvido pelo projeto
de um massalote adequado.
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com defeitos. Segue alguns destes possíveis
defeitos:
◦ Microporosidade: consiste numa rede de
pequenos vazios distribuídos por todo o fundido,
causada pela contração que ocorre no fim da
solidificação do metal noas espaços entre a
estrutura dendríticas.
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errado resultando num produto
fundido com defeitos. Segue alguns
destes possíveis defeitos:
◦ Ruptura a quente: também chamada trinca
a quente, ocorre quando, nos estágios finais
da solidificação ou nos primeiros estágios do
resfriamento, a contração do fundido é
restringida devido ao molde ser pouco
deformável.
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◦Os defeitos presentes prioritariamente em fundição
em areia são descritos a seguir:
◦ Bolha: é um defeito que consiste numa cavidade de gás
com a forma de um balão, causada pela liberação de gases
do molde durante o vazamento.
◦ Microporosidade: também causada pela liberação de gases
durante o vazamento, consiste em diversas e pequenas
cavidades formadas na superfície da peça, ou logo abaixo
dela.
◦ Erosão por lavagem: é uma irregularidade na superfície do
fundido que resulta da erosão da areia do molde durante o
vazamento, e o contorno da erosão será reproduzido na
superfície da peça.
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◦ Os defeitos presentes prioritariamente em fundição em
areia são descritos a seguir:
◦ Crosta de erosão: são áreas rugosas na superfície do fundido
devido a incrustações de areia e metal. Elas são causadas por
pequenas porções da superfície do molde que se descamam
durante a solidificação ficam entranhadas na superfície da peça.
◦ Penetração: é um defeito superficial que ocorre quando a fluidez
do metal liquido é alta, penetrando no molde ou no macho em
areia. Durante a solidificação, a superfície do fundido consiste
numa mistura de grãos de areia e metal. Maior compactação do
molde de areia ajuda a reduzir esse defeito.
◦ Deslocamento do molde: se refere ao defeito causado pela
movimentação da parte superior do molde em relação à parte
inferior; o resultado é um degrau no fundido na altura da linha de
partição.
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◦Os defeitos presentes prioritariamente em
fundição em areia são descritos a seguir:
◦ Deslocamento do macho: é similar ao
deslocamento do molde, mas é o macho que se
movimenta, e o deslocamento é geralmente
vertical. O deslocamento é causado pela
tendência do metal de movimentar o macho,
dada a sua massa especifica ser menor que a do
metal.
◦ Trinca no molde: ocorre quando a resistência
mecânica do molde é insuficiente e uma trinca
se desenvolve.
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Métodos de Inspeção
◦Os procedimentos de inspeção na fundição incluem:
◦ Inspeção visual para detectar defeitos óbvios como falha de
preenchimento, delaminação e trincas superficiais de tamanho razoável;
◦ Verificação dimensional para garantir que as tolerâncias foram atingidas;
◦ Testes metalúrgicos, químicos, físicos e outros testes relacionados à
qualidade do metal fundido. Testes na categoria incluem: testes
hidrostáticos para localizar vazamentos no fundido; métodos
radiográficos; testes com partículas magnéticas; uso de líquidos
fluorescentes penetrantes e testes supersônicos para detectar os defeitos
superficiais ou internos no fundido; testes mecânicos para determinar
propriedades como resistência à tração e dureza.
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Materiais Para Fundição
◦A maioria das peças fundidas comerciais é
fabricada em ligas em vez de metais
puros. Ligas são geralmente mais fáceis de
fundir, e as propriedades do produto
resultante são melhores. Ligas fundidas
podem ser classificadas em ferrosas e não
ferrosas. A categoria de ferrosas é
subdividida em ferro fundido e aço
fundido.
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Ferros Fundidos
◦ O ferro fundido é a mais importante de todas
as ligas fundidas. A tonelagem de peças em
ferro fundido é muitas vezes maior que a de
todos os outros metais juntos. Existem
diversos tipos de ferro fundido:
◦ Ferro fundido cinzento;
◦ Ferro nodular;
◦ Ferro fundido branco;
◦ Ferro maleável
◦ Ferro fundido ligado.
◦ A temperatura típica de vazamento para ferro
fundido é em torno de 1400°C, dependendo
da composição.
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Aços
◦ As propriedades mecânicas do aço o tornam um
material de engenharia interessante, e a
capacidade de criar geometrias complexas torna a
um processo atraente. Entretanto, grandes
dificuldades estão presentes na fundição
especializada em aço. Primeiro, o ponto de fusão
do aço é de considerável maior que o da maioria
dos outros metais usados comumente em
fundição. Nessas temperaturas elevadas, o aço é
muito reativo quimicamente. Ele se oxida rápido,
então procedimentos especiais devem ser usados
durante a fusão e o vazamento para isolar o metal
fundido do ar. Também, o aço tem relativamente
baixa fluidez, e isso limita o projeto de seções finas
de componentes fundidos em aço.
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Ligas Não Ferrosas
◦ Metais fundidos não ferrosos incluem ligas de alumínio,
magnésio, cobre, estanho, zinco, níquel e titânio.
◦ As ligas de alumínio são geralmente consideradas de fácil
fundição. O ponto de fusão do alumínio puro é 660°C,
assim as temperaturas de vazamento para ligas fundidas
de alumínio são baixas, comparadas com o ferro fundido.
Suas propriedades as tornam atrativas para fundidos:
baixa massa especifica, vasta gama de propriedades
alcançadas por meio de tratamentos térmicos e fácil
usinagem.
◦ As ligas de magnésio são as mais leves de todas as ligas
fundidas. Outras propriedades incluem resistência à
corrosão, assim como elevadas razões resistência-massa
especifica e rigidez massa-específica.
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Ligas Não Ferrosas
◦As ligas de cobre incluem bronze, latão e
bronze-alumínio. As propriedades que as
tornam relevantes são a resistência à
corrosão, boa aparência e boas
propriedades como mancais. O alto custo
do cobre é uma limitação ao uso de suas
ligas. Aplicações incluem conexões para
tubos, pás de hélices marinhas,
componentes de bombas e joalheria
ornamental.
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Ligas Não Ferrosas
◦ O estanho tem o menor ponto de fusão dos
metais fundidos. As ligas à base de estanho são
geralmente fáceis de fundir. Elas têm boa
resistência à corrosão, mas baixa resistência
mecânica, o que limita suas aplicações a
vasilhames e produtos similares que não
necessitem de elevada resistência.
◦ As ligas de zinco são comumente usadas na
fundição sob pressão. O zinco tem baixo ponto de
fusão e boa fluidez, tornando-o de fácil uso na
fundição. Sua principal desvantagem é a baixa
resistência à fluência, de modo que o fundido não
pode ser submetido a tensões elevadas por longo
tempo.
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Ligas Não Ferrosas
◦As ligas de níquel têm boas resistência a quente e
resistência à corrosão, o que as torna adequadas a
aplicações em temperaturas elevadas como em
motores a jato e componentes de foguete,
proteção térmica e componentes similares. Essas
ligas também possuem elevada temperatura de
fusão e não são fáceis de fundir.
◦As ligas de titânio fundidas são resistentes à
corrosão e possuem elevada razão resistência-
massa específica. Entretanto, titânio tem alto
ponto de fusão, baixa fluidez e propensão a oxidar
em temperaturas elevadas. Essas propriedades
tornam difícil sua fundição e a de suas ligas.
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Considerações sobre o Projeto do Produto
◦Se a fundição for escolhida pelo projetista de produto como o
processo de fabricação principal de um determinado
componente, então certas diretrizes deverão ser seguidas para
facilitar a produção da peça e evitar os vários defeitos. Algumas
diretrizes e são apresenta:
◦ Simplicidade geométrica
◦ Cantos.
◦ A espessura das seções.
◦ Ângulo de saída.
◦ Uso de machos;
◦ Tolerâncias dimensionais;
◦ Acabamento superficial;
◦ Tolerâncias para Usinagem.
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