Fundamentos de Fundição

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1. Visão da Tecnologia de Fundição

2. Aquecimento e vazamento

1. Solidificação e resfriamento

Processo de Solidificação

O material de trabalho inicialmente está em forma líquida ou está em uma condição muito plástica, e deste modo a parte é criada por meio da solidificação do material

Processos de solidificação podem ser classificados de acordo com a engenharia de materiais processados:

Metais

Cerâmica, especificamente vidros

Polímeros e compósitos de matriz polimérica (PMCs)

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Classificação dos Processos de Solidificação

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Fundição

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Processo em que o fluxo do metal fundido por gravidade ou qualquer outra força penetra no molde onde se solidifica na forma da cavidade do molde

O termo fundição também se aplica à parte feita no processo

Etapas do processo:

1. Derreter o metal

2. Vazar em um molde

3. Deixar resfriar

Recursos e Vantagens da Fundição

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Pode criar geometrias complexas

Pode criar formas externas e internas

Alguns processos de fundição são net shape (forma final), enquanto outros near net shape (próximo a forma final)

Capaz de produzir peças de grande porte

Alguns métodos de fundição são adequados àprodução em massa

Desvantagens da Fundição

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Desvantagens entre diferentes processos de fundição:

Limitações nas propriedades mecânicas

Baixa precisão dimensional e acabamento superficial para alguns processos, como por exemplo, fundição em areia

Riscos de segurança para os trabalhadores devido aos metais fundidos

Problemas ambientais

Produtos Feitos por Fundição

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Peças de grandes dimensões

Blocos e cabeçotes de motor para veículos automotores, fogões a lenha, bases para máquinas, rodas de trens, canos, sinos, estátuas grandes, carcaças de bomba

Peças pequenas Coroas dentárias, jóias, estatuetas, frigideiras

Todas as variedades de metais podem ser fundidos, metais ferrosos e não ferrosos

Visão Geral da Tecnologia de Fundição

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Fundição é normalmente realizada em uma fundição

Fundição = fábrica equipada para fazer moldes, fusão e tratamento do metal fundido, realizando o processo de fundição, e terminar a limpeza do produto fundido

Os trabalhadores que realizam a fundição são chamados de fundidores

Moldes Abertos e Fechados

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Duas formas de moldes:a) molde aberto: simplesmente um recipiente em

forma de a parte desejada

b) molde fechado: a geometria do molde é mais complexa e exige um sistema de vazamento (passagem) que conduz a cavidade

Tipos de Processos de Fundição

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1. Processos de molde descartável - usa moldes descartáveis que devem ser destruídos para remover o produto fundido

Materiais do molde: areia, gesso e materiais semelhantes, além de ligantes

2. Processos de molde permanente - usa um molde permanente, que pode ser usado repetidas vezes para produzir muitas peças

Feito de metal (ou menos freqüente de material cerâmico refratário)

Tipos de Processos de FundiçãoVantagens e Desvantagens

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Geometrias mais complexas são possíveis com os processos de molde descartável

Formas de peças no processo de molde permanente são limitadas pela necessidade de abrir o molde

Processos em moldes permanentes são mais econômicos em alta produção

Fundição em Molde de Areia

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Formação da Cavidade do Molde

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Cavidade do molde é formado por areia em torno de um modelo, que tem o formato da peça

Quando o modelo é removido, o restante da cavidade em areia forma parte da peça a ser fundida

O modelo é geralmente super dimensionado para permitir a contração do metal durante a solidificação e resfriamento

Areia para o molde é úmida e contém ligantes para manter a forma desejada

Uso de um Núcleo na Cavidade do Molde

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A cavidade do molde determina as superfícies externas das peças fundidas

Além disso, uma fundição pode ter superfícies internas, determinadas por um núcleo, colocado dentro da cavidade do molde para definir a geometria de uma parte interior

Na fundição em areia, os núcleos são geralmente feitos de areia

Sistema de Canais

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Canais através do qual o fluxo do metal fundido penatrana cavidade externa do molde

Consiste de um canal de alimentação, através da qual o metal entra em um canal secundário que conduz àcavidade principal

No topo do canal de alimentação, um poço de vazamento é frequentemente utilizado para minimizar respingos e turbulência quando o metal flui para o canal de alimentação

Poço

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Reservatório no molde que é uma fonte de metal líquido para compensar a contração da peça durante a solidificação

O poço frio deve ser projetado para resfriar depois da fundição, a fim de satisfazer a sua função

Aquecimento do Metal

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Fornos são usados para aquecer o metal fundido a temperatura suficiente para fundição

O calor necessário é a soma de:

1. Calor para elevar a temperatura ao ponto de fusão

2. Calor de fusão para converter de sólido a líquido

3. Calor para elevar o metal fundido a temperatura desejada para vazamento

Vertendo o Metal Fundido

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Para esta etapa ser bem sucedida, o metal deve fluir em todas as regiões do molde, sendo que o mais importante éo enchimento da cavidade principal, antes de se solidificar

Fatores determinantes

Temperatura de vazamento

Taxa de vazamento

Turbulência

Solidificação do Metal

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Transformação de metal fundido em estado sólido

Solidificação varia dependendo se o metal é:

Um elemento puro ou

Uma liga

Curva de Resfriamento para um Metal Puro

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Um metal puro se solidifica a uma temperatura constante e igual ao seu ponto de congelamento

Solidificação de Metais Puros

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Devido à ação de resfriamento da parede do molde, uma fina camada de metal sólido é formado na interface imediatamente após o vazamento

Como a solidificação progride a espessura da camada aumenta formando um escudo em torno do metal derretido

Taxa de congelamento depende da transferência de calor no molde, bem como as propriedades térmicas do metal

Solidificação de Metais Puros

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Devido à ação de resfriamento da parede do molde, uma fina camada de metal sólido é formado na interface imediatamente após o vazamento

Como a solidificação progride a espessura da camada aumenta formando um escudo em torno do metal derretido

Taxa de congelamento depende da transferência de calor no molde, bem como as propriedades térmicas do metal

Solidificação de Metais Puros

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Estrutura granular característica na fundição de um metal puro, mostrando grãos orientados aleatoriamente de pequeno tamanho perto da parede do molde, e grandes grãos lamelares orientados em direção ao centro da peça

Solidificação de Ligas

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(a) Diagrama de fases para uma liga de cobre-níquel (50% Ni - 50% Cu)

(b) Curva correspondente ao resfriamento da liga

(c)Exceção para ligas eutéticas

Solidificação de Ligas

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Estrutura granular característica na fundição de uma liga de alumínio, mostrando separação dos componentes da liga no centro da carcaça.

Tempo de Solidificação

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O tempo total de solidificação Tst = tempo necessário para a solidificação após o vazamento

Tst depende do tamanho e forma do fundido através da relação conhecida como Equação de Chvorinov

Tst = tempo total de solidificaçãoV = volume do vazamentoA = área da superfície da carcaçan = expoente com valor típico = 2

Cm = constante do molde.

n

m AVCTST

Constante do Molde na Equação de Chvorinov

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Constante do molde Cm depende:

Material de molde

Propriedades térmicas do metal fundido

Temperatura de vazamento em relação ao ponto de fusão

Valor de cm, para uma operação de vazamento pode ser considerada com base em dados experimentais de operações anteriores realizadas com material mesmo molde, metal e temperatura de vazamento, mesmo que a forma da peça seja bem diferente

O que a regra de Chvorinovconsidera

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Um fundido com uma alta relação entre o volume e a superfície resfria e solidifica-se mais lentamente do que um com uma menor relação

Na alimentação do metal líquido para a cavidade principal, Tst no poço deve ser maior que o Tstna cavidade principal

Visto que as constantes molde para o poço e cavidade são iguais, o projeto do poço deverá ter um volume maior em relação a área, de modo que o fundido principal solidifique-se primeiro

Isso minimiza os efeitos de contração

Contração na Solidificação e Resfriamento

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Contração de uma peça cilíndrica durante a solidificação e resfriamento: (0) nível imediatamente após o vazamento(1) redução no nível do líquido causada pela contração durante o resfriamento (redução dimensional exagerada para maior clareza).

Contração na Solidificação e Resfriamento

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(2) redução na altura e formação de cavidade retração causada pela contração de solidificação(3) Redução de altura e diâmetro devido à contração térmica durante o resfriamento do metal sólido (redução dimensional exagerada para maior clareza).

Contração na Solidificação

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Ocorre em quase todos os metais na fase sólida apresentam densidade mais elevada do que a fase líquida

Assim, a solidificação provoca uma redução do volume por unidade de peso de metal

Exceção: ferro fundido com alto teor de C

Grafitização durante a fase final de resfriamento faz com que neutralize a diminuição volumétrica associada àmudança de fase

Contração na Solidificação

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O modelador deverá considerar a contração térmica na solidificação, para que a cavidade do molde tenha sobremedida

A grandeza que o molde deverá ser maior em relação ao tamanho da peça final é chamado de padrãode contração do molde

As dimensões do fundido são expressas de forma linear, portanto, as sobremedidas são aplicadas em conformidade

Solidificação Direcional

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Para minimizar os efeitos nocivos da retração, é desejável que as regiões do fundido mais distantes da fonte do metal líquido solidifiquem primeiro e progressivamente dessas regiões para o poço (s)

Assim, o metal fundido está continuamente disponível a partir dos poços para evitar vazios na retração

O termo solidificação direcional descreve esse aspecto de congelamento e métodos pelos quais ele é controlado

Resfriamento Externo

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a) Aletas externas para promover o resfriamento rápido do metal fundido em uma seção fina da peça

(b) resultado mais provável se o resfriamento do exterior não for utilizado

Projeto do Poço

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O poço é um resíduo de metal que é separado do produto e refundido

Para minimizar o desperdício na operação da unidade, édesejável que o volume de metal no poço seja mínimo

Visto que a geometria do poço é normalmente selecionada para maximizar a relação V / A, isto permite que o poço seja reduzido para o valor mínimo possível