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 Modelagem;
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 Modelagem (Aula 02)
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Fusão
 O ponto de fusão (PF) é a respectiva temperatura em
que o ...
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 Elementos tais como: o Césio (29°C), o Gálio (30°C), e o
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Pontos de Fusão
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Fusão do Metal
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 Algumas considerações devem ser feitas a
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 Perdas por escumagem (remoção da escória);
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 O rendimento metálico na fusão é dado pela
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Inibição da Oxidação
 A oxidação pode ser inibida ou diminuída at...
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Gases em Metais
Líquidos
 Os metais líquidos dissolvem consideráv...
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Líquidos
 Para o Sistema Al(l) e O2(g) o produto ...
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Remoção de Hidrogênio
 Prática mais comum de desgaseificação;
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Remoção do Oxigênio
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 Desoxidação pela Aplicação do Princípio da
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 Condições para que uma Metal B seja um
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 A reação de desoxidação pode ser
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Fluidez
 A capacidade de o metal líquido preencher as
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 Variáveis do metal:
• Viscosidade;
• composição química;...
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Fluidez
 Para medir a máxima distância de fluidez de uma
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Fluidez
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Fluidez
 Modelo esquemático
para ensaio de
fluidez.
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Tensão Superficial
 A tensão superficial é um efeito que ocorre n...
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 Influência de
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 Os filmes de óxido estão sólidos na temperatura d...
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Superaquecimento
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Composição Química
 Os elementos de liga afetam
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O escoamento
 O escoamento de metais e ligas líquidos superaqueci...
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 O fluxo apresenta diferentes regimes para
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O escoamento
 Para a maioria dos casos reais o fluxo se
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Aula 07 fusão e vazamento

  1. 1. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Processos de Fundição  Modelagem;  Moldagem;  Macharia (se necessário);  Fusão;  Vazamento;  Solidificação;  Desmoldagem;  Acabamento (rebarbação e limpeza).
  2. 2. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Processos de Fundição  Modelagem (Aula 02)  Moldagem (Aulas 03 e 04)  Macharia (Aulas 02, 03 e 04)  Fusão (Aula 06 e 07);  Vazamento (Aula 07);  Solidificação (aula 07);  Desmoldagem;  Acabamento (rebarbação e limpeza).
  3. 3. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Fusão  O ponto de fusão (PF) é a respectiva temperatura em que o material passa de um estado físico para outro estado físico, no caso, do estado físico sólido para o estado físico líquido.  Cada elemento puro possui o seu respectivo ponto de fusão.  Quando ligado com outros elementos químicos, no intuito de formar ligas metálicas, este ponto de fusão pode sofrer pequenas variações.  Alguns elementos químicos apresentam uma peculiariedade em especial, seus pontos de fusão estão muito próximos a temperatura ambiente, ou seja, eles podem se derreter (ou se fundir) a baixas temperatura.
  4. 4. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Fusão  Elementos tais como: o Césio (29°C), o Gálio (30°C), e o Rubídio (39°C), por exemplo.  Outros elementos como o Mercúrio (Hg) e o Bromo (Br), já estão líquidos em temperatura ambiente.  Os demais elementos metálicos necessitam de maior temperatura para mudar de estado físico.  Estes já são mais conhecidos, tais como o Ferro, o Alumínio, a Prata, o Ouro, dentre tantos outros exemplos.  O Carbono, por exemplo, é um elemento que necessita de elevadíssima temperatura, acima de 3.700°C.  O Tungstênio é outro, acima de 3.400°C.
  5. 5. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Pontos de Fusão
  6. 6. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Pontos de Fusão
  7. 7. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Fusão do Metal  Evento onde o metal se transforma do estado sólido para o estado líquido, visando seu vazamento em moldes com o formato adequado da peça final.
  8. 8. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Fusão do Metal  Algumas considerações devem ser feitas a quanto a fundição do metal: • Oxidação parcial do metal com a atmosfera durante a fusão do material gera perdas; • Possível reação do metal líquido com o cadinho refratário ou metálico; • Dissolução de gases; • Escória: de refino ou protetora; • Fluidez: facilidade do material em preencher o molde.
  9. 9. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Perdas por Oxidação  Perdas por escumagem (remoção da escória); • Por ação de agentes desoxidantes, as impurezas se concentram na escória, que é removida antes do vazamento.  Penetração e contaminação do cadinho; • Infiltração e reação de óxidos e outros elementos no material refratário.  Respingos; • Metal líquido projetado para fora da panela, que em contato com atmosfera oxida.  Volatilização de um ou mais elementos da liga. • Elementos que oxidam após se volatilizarem.
  10. 10. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Rendimento Metálico  O rendimento metálico na fusão é dado pela seguinte relação:
  11. 11. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Rendimento Metálico  O rendimento metálico de fusão depende de diversas variáveis: • Quanto maior a presença de elementos oxidantes na liga  Menor o f ; • Quanto menores as dimensões do material carregado  Menor o f • Tipo do forno. • Revérberos a combustível, gás de combustão entrando em contato com o carregamento  Menor f ; • Fornos de indução  perdas mínimas.
  12. 12. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Rendimento Metálico  O rendimento metálico de fusão depende de diversas variáveis: • Quanto maior a presença de elementos oxidantes na liga  Menor o f ; • Quanto menores as dimensões do material carregado  Menor o f • Tipo do forno. • Revérberos a combustível, gás de combustão entrando em contato com o carregamento  Menor f ; • Fornos de indução  perdas mínimas.
  13. 13. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Inibição da Oxidação  A oxidação pode ser inibida ou diminuída através de: • Controle de Atmosfera: Criar atmosfera inerte ou protetora (He, Ar), ou redutoras (Hidrocarbonetos gasosos, hidrogênio e CO); • Emprego de escórias protetoras (Sílica, Borax, Misturas salinas complexas): protegem o metal líquido da atmosfera; • Adição de elementos (às vezes em teores mínimos): o elemento oxida mais facilmente ou gera um óxido de maior estabilidade, protegendo o restante do metal.
  14. 14. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Gases em Metais Líquidos  Os metais líquidos dissolvem consideráveis volumes de gás durante as operações de fusão  Os gases dissolvidos no meio do líquido devem ser removidos antes da solidificação sob pena de ocorrência de defeitos tipo “bolhas de gás” devido as diferentes solubilidades destes gases no líquido e no sólido.
  15. 15. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Gases em Metais Líquidos  A dissolução dos gases se torna um problema quando a quantidade de gases no metal líquido excede a que pode ser retida em solução sólida.  A concentração de gases no líquido remanescente aumenta com o progresso da solidificação e, em certo ponto, nucleiam-se e crescem bolhas gasosas.
  16. 16. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Gases em Metais Líquidos  A dissolução de um gás em um metal pode ser indicada por uma expressão do seguinte tipo: M( l ) + H2(g) + ⇔ 2H  A molécula H2(g) de gás hidrogênio se dissocia em contato com o metal, entrando em solução como hidrogênio atômico → H
  17. 17. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Gases em Metais Líquidos  Para o Sistema Al(l) e O2(g) o produto da reação é um composto sólido (s): Al(l) + O2 (g) → Al2O3(s)  O2 não se dissolve no Al(l) e forma um filme de óxido inerte na interface metal-gás.
  18. 18. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Gases em Metais Líquidos  Eliminação dos gases: • Tratamentos para remoção do Oxigênio • Tratamentos para remoção de Hidrogênio
  19. 19. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Remoção de Hidrogênio  Prática mais comum de desgaseificação;  Borbulhamento de um gás inerte no metal líquido. • Cloro • Nitrogênio no caso das ligas de Al  O gás inerte ao se deslocar no interior do líquido tende a arrastar consigo o H atômico dissolvido neste líquido, ocorrendo então a desgaseificação do metal líquido.
  20. 20. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Remoção do Oxigênio  A solubilidade do oxigênio nos metais difere da do hidrogênio principalmente pela grande tendência do oxigênio de formar compostos estáveis com os metais. • Compostos insolúveis nos metais líquidos nas temperaturas normais de fusão ⇒ a desoxidação se torna desnecessária, como nos casos do Al, Mg, Sn, Pb, Cd, Zn e respectivas ligas. • Metais que dissolvem oxigênio(Cu, Ni e Fe) ⇒ a solubilidade do oxigênio em relação à atmosfera dos fornos pode ser tratada de mesma maneira que com o hidrogênio
  21. 21. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Remoção do Oxigênio  Desoxidação pela Aplicação do Princípio da Estabilidade Relativa dos Óxidos: • Ma = metal líquido solvente contendo oxigênio em solução • Mb = elemento soluto adicionado  Se o óxido MbO mais estável que o óxido MaO: • Mb é considerado um desoxidante satisfatório para o metal Ma se forem obedecidas outras condições adicionais.
  22. 22. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Remoção do Oxigênio  Condições para que uma Metal B seja um desoxidante efetivo do Metal A: • O produto de desoxidação (óxido MbO) deve separar-se facilmente do metal líquido. • As propriedades do metal Ma não devem ser afetadas substancialmente por qualquer resíduo de Mb que permaneça em solução. • A quantidade de oxigênio residual em solução não deve ter efeito significativo nas propriedades da liga fundida.
  23. 23. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Remoção do Oxigênio  A reação de desoxidação pode ser representada pela equação: Mb(l) + O2 (g) → MbO onde Mb e O estão em solução em Ma , e MbO é um óxido sólido, líquido ou gasoso.  Exemplo : Desoxidação de Aços • Ma = Ferro Líquido • Mb = Al, Si ou Mn • MbO = Al2O3, SiO2 ou MnO
  24. 24. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Fluidez  A capacidade de o metal líquido preencher as cavidades do molde antes da solidificação é chamada de fluidez.  A fluidez vai depender das características do metal e dos parâmetros de fundição.  Casos Críticos: • peças que apresentam paredes muito finas; • o fluxo de metal líquido precisa percorrer distâncias muito grandes ⇒ grandes perdas de carga e de temperatura.
  25. 25. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Fluidez  Variáveis do metal: • Viscosidade; • composição química; • tensão superficial; • filmes superficiais de óxidos; • teor de gás dissolvido; • inclusões (sólidas) em suspensão; • temperatura de vazamento.  Variáveis do processo: • forma da peça; • forma e dimensões da bacia de vazamento; • material do molde (poder de extração de calor); • velocidade do vazamento; • grau de aquecimento
  26. 26. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Fluidez  Variáveis do metal: • Viscosidade; • composição química; • tensão superficial; • filmes superficiais de óxidos; • teor de gás dissolvido; • inclusões (sólidas) em suspensão; • temperatura de vazamento.  Variáveis do processo: • forma da peça; • forma e dimensões da bacia de vazamento; • material do molde (poder de extração de calor); • velocidade do vazamento; • grau de aquecimento
  27. 27. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Fluidez  Para medir a máxima distância de fluidez de uma liga seria necessário, em alguns casos um molde demasiadamente longo, característica esta que não torna o experimento prático.  Os moldes teriam que estar muito nivelados para não comprometer o resultado do experimento.  Assim o método mais comum para medir a fluidez de uma liga é o que utiliza um molde cujo canal é uma espiral, tornando o molde muito mais compacto e muito menos sujeito ao desnivelamento.
  28. 28. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Fluidez  Teste de fluidez: • O índice de fluidez é medido pela distância que o metal líquido consegue chegar sem se solidificar.
  29. 29. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Fluidez  Modelo esquemático para ensaio de fluidez.
  30. 30. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Tensão Superficial  A tensão superficial é um efeito que ocorre na camada superficial do metal líquido, e faz com que a superfície se comporte como uma membrana elástica.  Os átomos situados no interior do líquido são atraídos em todas as direções pelos átomos vizinhos, e por isso, a resultante das forças atuantes é praticamente nula.  Os átomos da superfície do líquido, entretanto sofrem apenas atração lateral e inferior, esta força para o lado e para baixo cria a tensão na superfície.
  31. 31. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Tensão Superficial  A contra pressão resultante da tensão superficial aumenta em seções finas, alguns elementos como Li, Bi, Pb, Mg, Sb, Ca e Sn, reduzem significativamente a tensão superficial no alumínio fundido.  Contudo o efeito da tensão superficial é ocultado pela influência dos filmes de óxido superficiais nas ligas de alumínio.
  32. 32. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Tensão Superficial  Influência de elementos de liga na tensão superficial do alumínio puro.
  33. 33. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Filme de Óxido  Os filmes de óxido estão sólidos na temperatura de vazamento do metal podendo assim elevar significativamente a tensão superficial, consequentemente reduzindo a capacidade do metal de preencher detalhes mais finos do molde.  Estima-se que a tensão superficial aparente dos metais com filme de óxido deva ser três vezes superior a do metal sem filme de óxido.  Assim sendo a elevação da tensão superficial tem como efeito o aumento da pressão necessária para que o metal líquido escoe no interior do molde.
  34. 34. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Temperatura de Superaquecimento  A temperatura de superaquecimento é definida como a diferença entre a temperatura de vazamento e a temperatura líquidus.  A fluidez se eleva com o acréscimo da temperatura de superaquecimento da liga.  Quanto maior o superaquecimento, maior é a redução da viscosidade, assim a fluidez é elevada.  O superaquecimento também afeta a taxa de resfriamento, características de solidificação do metal e consequentemente a fluidez do metal líquido.
  35. 35. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Temperatura de Superaquecimento  Variação na temperatura de superaquecimento:
  36. 36. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Composição Química  Os elementos de liga afetam significativamente as ligas metálicas.  Isto ocorre porque variações na composição podem influênciar a viscosidade, tensão superficial, intervalo de solidificação e o modo de solidificação das ligas.  A fluidez do alumínio puro, por exemplo, decresce rapidamente com a diminuição da pureza do metal.
  37. 37. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Composição Química  Transformação de fases:
  38. 38. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Composição Química  Influência da adição de elementos de ligas na fluidez do alumínio puro.
  39. 39. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Composição Química  Acréscimo ou decréscimo na fluidez do alumínio puro em função da adição de elementos de ligas.
  40. 40. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Composição Química  Influência da adição de cobre e silício na fluidez do alumínio puro.
  41. 41. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Temperatura de Vazamento  Um metal apresenta uma temperatura de fusão bem definida, isto é, ele inicia e termina o processo de solidificação em uma temperatura bem determinada.  Já as ligas apresentam uma temperatura onde se inicia o processo de solidificação e uma temperatura onde termina esse processo.  Dentro da faixa de temperaturas em que ocorre a solidificação para uma liga existe sempre uma mistura de sólido e líquido.  A temperatura de vazamento dever ser estar sempre acima da temperatura onde existem 100% de líquido (superaquecimento).
  42. 42. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Temperatura de Vazamento  O vazamento, no caso de ligas, dentro de uma faixa de temperaturas onde se tem sólido e líquido prejudica o preenchimento completo do molde.
  43. 43. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico Temperatura de Vazamento  O vazamento, no caso de ligas, dentro de uma faixa de temperaturas onde se tem sólido e líquido prejudica o preenchimento completo do molde.
  44. 44. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico O escoamento  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.
  45. 45. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico O escoamento  Isso pode ser quantificado pelo número de Reynolds: Re=v.d/ν  Onde: • v é a velocidade do fluxo, • d é o diâmetro hidráulico do canal e • ν é a viscosidade cinemática do líquido, que é dada pela viscosidade dinâmica dividida pela densidade do líquido.
  46. 46. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico O escoamento  O fluxo apresenta diferentes regimes para cada número de Re: • Para Re até aproximadamente 2000: O Fluxo é laminar. • Para valores de Re entre 2000 e 23000: o fluxo apresenta uma mistura entre laminar e turbulento. • Acima de 23000: o fluxo é severamente turbulento.
  47. 47. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico O escoamento  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.
  48. 48. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico OBRIGADO! Março de 2011 brenno.senai@sistemafieg.org.br

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