O documento discute os processos de fundição, incluindo modelagem, moldagem, fusão, vazamento, solidificação e outros. É especificamente sobre os pontos de fusão dos elementos e ligas metálicas, os processos de fusão do metal, como oxidação e remoção de gases, e a fluidez do metal líquido.
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Processos de Fundição
Modelagem;
Moldagem;
Macharia (se necessário);
Fusão;
Vazamento;
Solidificação;
Desmoldagem;
Acabamento (rebarbação e limpeza).
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Rendimento Metálico
O rendimento metálico na fusão é dado pela
seguinte relação:
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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Gases em Metais
Líquidos
Eliminação dos gases:
• Tratamentos para remoção do Oxigênio
• Tratamentos para remoção de Hidrogênio
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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.
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Fluidez
Teste de fluidez:
• O índice de fluidez é
medido pela distância
que o metal líquido
consegue chegar sem
se solidificar.
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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 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.
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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.
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Tensão Superficial
Influência de
elementos de
liga na tensão
superficial do
alumínio puro.
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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.
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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.
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Temperatura de
Superaquecimento
Variação na temperatura de superaquecimento:
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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.
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Composição Química
Transformação de fases:
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Composição Química
Influência
da adição
de
elementos
de ligas na
fluidez do
alumínio
puro.
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Composição Química
Acréscimo
ou
decréscimo
na fluidez
do alumínio
puro em
função da
adição de
elementos
de ligas.
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Composição Química
Influência
da adição
de cobre e
silício na
fluidez do
alumínio
puro.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
49. Prof. Brenno Ferreira de Souza – Engenheiro Metalúrgico
OBRIGADO!
Março de 2011
brenno.senai@sistemafieg.org.br