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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SO CARLOS CENTRO DE CINCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM CINCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

FUNDIO POR ESPUMA PERDIDA DE AOS CA6NM E CA15 UTILIZANDO-SE EPS E LAMAS DA FUNDIO POR CERA PERDIDA

Frederico Paro

So Carlos 2007

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MEMBROS DA BANCA EXAMINADORA DA DISSERTAO DE MESTRADO DE FREDERICO PARO APRESENTADA AO PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM CINCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS, DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE SO CARLOS, EM (DATA: dia, ms(extenso) e ano)

BANCA EXAMINADORA:

______________________________________ CLAUDEMIRO BOLFARINI ORIENTADOR PPGCEM/UFSCar

______________________________________ Nome, por extenso, datilografado (maisculo) Instituio de Origem (maisculo)

______________________________________ Nome, por extenso, datilografado (maisculo) Instituio de Origem (maisculo)

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AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar agradeo aos meus pais Edair e Maria Clara pelo amor, incentivo, dedicao, educao e por serem exemplos para mim. E minha av, Jandira, por ter sido tudo o que ela . Agradeo ao meu orientador, Claudemiro Bolfarini, pela pacincia e por compreender a demora na concluso deste trabalho. Em especial, agradeo a trs pessoas sem as quais este trabalho dificilmente seria concludo com xito. So elas, meus colegas da Petrobras Alexander Kasama (primeiros vazamentos e conselhos) e Leandro de Lacerda (expertise em fundio) e ao amigo de longssima data, prof. Mrcio Tat Kobayashi pelo suporte e sua tpica solicitude. Ao futuro engenheiro Leonardo Severino Froes pela nem sempre constante, porm tranqila e imprescindvel ajuda em tocar os vazamentos enquanto eu estava no Rio. Ao CCDM por realizar a anlise tica e qumica. Ao Dr. Carlos Triveo por fazer MEV na camada refratria. Aos amigos da Pastelaria do Ganso, China, Galindo, Neto, Fardinho, Ivan, Morsa e Juca por sempre me receberem em So Carlos. No podia esquecer dos chupins Fly, Minhoco e Zeulo, nem do indelvel e ranzinza Chan, com seus valiosos conhecimentos de cermica. Aos amigos da Electrolux, Marcelo Salvadio (por me liberar para fazer as matrias obrigatrias), Guilherme Loureno, Dr. Pricles Bosquetti (pelo ensaio de teor de slidos e microscopias) e Bolinha. Aos companheiros do laboratrio de fundio, Beto, Marquinho e Neylor.

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RESUMO

O processo de fundio por espuma perdida (FEP) um mtodo de fundio no qual se obtm peas metlicas a partir de um modelo da pea feito em poliestireno expandido (EPS ou isopor) contido em uma caixa moldar repleta de areia solta sem ligantes. O metal penetra no molde degradando termicamente o modelo e ocupa perfeitamente seu lugar, sendo que os gases gerados na decomposio escapam atravs da areia. Este processo apresenta vantagens em relao a outros processos de fundio, especialmente na fabricao em grande escala de peas complexas em alumnio e ferro fundido. O fato de haver EPS dentro do molde cria condies e problemas peculiares a este processo, pois a decomposio do EPS, quando incompleta, fonte de defeitos de fundio devido aos resduos no expelidos. No caso especfico de ligas ferrosas, ocorre a absoro do carbono proveniente da decomposio acarretando o aumento do teor de carbono da liga fazendo com que este seja o desafio tecnolgico que inibe o enorme potencial do uso da FEP na fundio de aos. Este trabalho consiste na verificao da viabilidade deste processo na obteno de peas em ao inox martenstico CA15 e CA6NM. As principais variveis estudadas foram: o aumento do carbono, a microestrutura resultante e a qualidade final da pea como conseqncia da variao da viscosidade de duas lamas refratrias testadas, baseadas em mulita e zirconita. Os resultados demonstraram que foi possvel obter o preenchimento completo das peas, sem porosidades visveis, porm o aumento do teor de carbono foi elevado, acima do mximo especificado para as duas ligas, mesmo com as menores viscosidades de lama utilizadas, o que inviabilizaria o uso deste processo para aplicaes onde o controle preciso da resistncia mecnica fosse mandatrio. Foi constatado que existe dependncia entre a intensidade de absoro de carbono e a liga utilizada, porm so necessrios mais experimentos para entender a dinmica desta relao.

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ABSTRACT

Lost foam casting (LFC) is a type of metal casting process that uses foam patterns to produce castings. By means of a cavityless mold immersed in sand, metal is poured and the foam pattern is replaced by molten metal, producing the casting. The decomposition gases produced in this process escape through the coating and the sand. Today the LFC is heavily used in the automotive industry due to its advantages over traditional casting processes, especially with complex parts in aluminum and cast iron. Nevertheless, the existence of foam inside the mold creates problems and conditions that must be controlled in order to avoid casting defects caused by the entrapment of decomposition products from the foam. Another problem that must be avoided in the casting of ferrous materials is the increase of the carbon content of the alloy, caused because of the metal absorption of the carbon created in the decomposition of the foam. This is the technological challenge that inhibits the extensive use of the LFC in ferrous castings. This work tested the viability of the use of the LFC for the stainless martensitic steels CA15 and CA6NM. The parameters analyzed were the carbon pick up of the alloy and the microstructure and soundness of the cast parts as a result of variations of the thickness of the refractory coating based in mullite and zirconite. The results show that the carbon pick-up was high for all the experiments, reaching levels higher than the maximum specified for the alloys, even with the lowest refractory coating thickness used. This makes the use not viable for applications where a precise control of the mechanic properties is required. The carbon pick up showed great dependence of the alloy used and further research is necessary in order to observe and analyse the dynamics of this relationship.

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NDICE DE ASSUNTOS

BANCA EXAMINADORA: ................................................................................ i AGRADECIMENTOS ..................................................................................... iii RESUMO ........................................................................................................ v ABSTRACT ................................................................................................... vii NDICE DE ASSUNTOS .................................................................................ix NDICE DE FIGURAS .................................................................................. xiii NDICE DE TABELAS ...................................................................................xv 1. INTRODUO E RELEVNCIA DO PROJETO ........................................ 1 2. OBJETIVO .................................................................................................. 5 3. FUNDAMENTAO TERICA .................................................................. 7 3.1 O Processo de Fundio por Espuma Perdida ..................................... 7 3.1.1 Histrico ......................................................................................... 7 3.1.2 Etapas do processo ........................................................................ 8 3.1.3 Preciso do processo ................................................................... 11 3.2 Espumas polimricas .......................................................................... 12 3.2.1 Caractersticas Gerais .................................................................. 12 2.5 Propriedades das Espumas ............................................................ 13 3.2.2 O Poliestireno Expandido (EPS) .................................................. 16 3.2.3 PMMA........................................................................................... 18 3.2.4 Outras Espumas Utilizadas na FEP ............................................. 18 3.2.5 A Decomposio das Espumas .................................................... 19 3.2.6 Melhorias nos EPSes ................................................................... 22 3.3 Caractersticas do Refratrio .............................................................. 22 3.3.1 Mulita ............................................................................................ 25 3.3.2 Zirconita........................................................................................ 27 3.3.3 Formas de aplicao da lama refratria ....................................... 27 3.4 Os Aos Inoxidveis Martensticos C6NM e CA15 ............................. 27 3.4.1 Aos inoxidveis ........................................................................... 27 3.4.2 Ao Inoxidvel Martenstico CA15 ................................................ 30

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4.4.3 Ao Inoxidvel Martenstico CA6NM ............................................ 32 5.5.1 Efeitos do Aumento do Carbono .................................................. 34 3.5 Sistemas de canais de enchimento .................................................... 37 3.5.1 Caractersticas dos canais de enchimento ................................... 38 3.6 Variveis do processo ......................................................................... 39 3.6.1 Variveis da fase branca e marrom .............................................. 40 3.6.2 Efeitos das variveis de processo na fundio ............................. 41 3.7 A interao do refratrio espuma metal ........................................ 44 3.7.1 Modelo da decomposio da espuma de Askeland et al.............. 44 3.7.2 Modelo da decomposio da espuma de Zhao et al. ................... 45 3.7.3 Modelo da decomposio da espuma de Molibog et al. ............... 49 3.7.4 Implicaes para a formao de defeitos ..................................... 50 3.8 Defeitos de fundio caractersticos da Espuma Perdida ................... 51 3.8.1 O defeito de dobra ........................................................................ 52 3.8.2 O defeito de blister ....................................................................... 54 3.8.3 O carbono lustroso ....................................................................... 55 3.8.4 O pick up de carbono ................................................................... 57 3.9 A utilizao de aos com a FEP ......................................................... 58 4 MATERIAIS E MTODOS ......................................................................... 59 4.1 Fluxogramas dos testes ...................................................................... 59 5.2 Confeco dos modelos em EPS ....................................................... 60 4.2 Dimensionamento do modelo em EPS ............................................... 60 4.3 Preparao da lama refratria ............................................................ 63 4.4 Recobrimento dos modelos em EPS .................................................. 64 4.5 Colocao do modelo na areia ........................................................... 64 4.6 Temperatura de vazamento ................................................................ 65 5 RESULTADOS E DISCUSSES .............................................................. 67 5.1 Resultados da Fundio ..................................................................... 67 5.1.1 Vazamento #1 (CA15, Zirconita 7s) ............................................. 67 5.1.2 Vazamento #2 (CA15, Zirconita 20s)............................................ 69 5.1.3 Vazamento #3 (CA15, Zirconita 12s)............................................ 70 5.1.4 Vazamento #4 (CA6NM, Zirconita 12s) ........................................ 71

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5.1.4 Vazamento #5 (CA6NM, Mulita 33s) ............................................ 73 5.1.5 Vazamento #6 (CA15, Mulita 22s) ................................................ 74 5.2 Avaliao das partes coladas .......................................................... 75 5.3 Caracterizao da camada refratria .................................................. 76 5.4 Caracterizao qumica e de dureza das peas obtidas ..................... 83 5.5 Microestruturas Esperadas e Microestruturas Obtidas ....................... 85 5.5.2 Microestrutura da amostra CA6NM-Z ........................................... 87 5.5.3 Microestrutura da amostra CA6NM-M .......................................... 88 5.5.5 Microestrutura da amostra CA15-Z .............................................. 92 5.5.6 Microestrutura da amostra CA15-M.............................................. 94 5.5.X Discusso sobre os resultados obtidos ........................................... 96 5.5.4 Variao da Composio Qumica Aps o Vazamento ................ 97 5.5.5 A viabilidade do uso do EPS para a fundio de ao ................... 98 5.5.5 Ligas obtidas com a fundio ..................................................... 100 5.5.5 A camada refratria .................................................................... 101 6 CONCLUSES ....................................................................................... 103 7 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS....................................... 105 8 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ........................................................ 107

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NDICE DE FIGURAS

Figura 1 Fluxograma do Processo............................................................. Figura 2 O Processo de FEP Figura 3 Comparativo de preciso entre FEP e Cera Perdida Figura 4 Estrutura do OS Figura 5 Graus de Fuso entre Prolas Figura 6 Fratura em EPS Figura 7 Contrao do EPS Figura 8 Estrutura do Acrlico Figura 9 -

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NDICE DE TABELAS

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1 INTRODUO E RELEVNCIA DO PROJETO

Com o aumento da competitividade observada nas ltimas dcadas nos setores industriais, a inovao se tornou o nico meio para uma empresa se manter no mercado. O mesmo ocorre com a indstria de fundio e por isso muita pesquisa tem sido feita para aperfeioar processos existentes e para criar processos mais eficientes do que os anteriores. Alm da maior competitividade, o novo cenrio mundial traz mudanas que devem ser levadas em considerao no desenvolvimento desses novos processos fabris. Nunca a questo ambiental foi to importante. As leis ambientais so cada vez mais rgidas e as multas mais altas. O processo de Fundio por Espuma Perdida (FEP) se adqua muito bem ao novo cenrio mundial. Devido a razes tcnicas e econmicas, esta tcnica muito competitiva na obteno de peas de geometrias complexas em alumnio e ferro fundido [1, 2, 3]. Dependendo da complexidade da pea, chega a ser mais econmica do que a fundio de ferro fundido em molde de areia [2, 4]. Projeta-se para 2007 que 30% de todo volume mundial de peas fundidas seja feito pelo mtodo de FEP [5]. No processo de FEP empregado um modelo (rplica) da pea feito de EPS (isopor) ou PMMA (espuma acrlica) que recoberto com uma camada refratria e que permanece no molde durante o vazamento, sofrendo degradao trmica pelo metal lquido que penetra no molde atravs dos canais de alimentao, reproduzindo fielmente a forma do modelo degradado. Durante a queima, os gases gerados devem escapar atravs da camada refratria e penetrar na areia solta, que deve permitir o seu escape com facilidade e o reaproveitamento da mesma sem tratamentos e descartes onerosos [6]. Os benefcios da fundio por espuma perdida so inmeros, a comear pela extrema simplicidade do processo. No h linha de partio nas peas e no necessria a utilizao de machos. A caixa de moldagem no bipartida o que facilita seu manuseio e utilizao. [2]

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O uso de areia comum, sem aglomerantes, dispensa controles de dosagem de aglomerantes e de tempos de secagem da areia. Menos areia necessria no processo e sua recuperao muito mais simples. [2] Outra vantagem da FEP reduzir a mo-de-obra e a qualificao necessrias aos operadores da fundio. Alm da maior limpeza, no h a necessidade de acoplagem e alinhamento das caixas de moldagem, o que facilita a automatizao do processo e diminui a quantidade de operaes. [2] Outro aspecto positivo deste mtodo a maior flexibilidade de produo e a prototipagem o rpida. O ou modelo alterao em de EPS pode ser confeccionado feita in-house. artesanalmente, atravs do corte e colagem de suas partes. Isso possibilita que desenvolvimento produtos seja Alternativamente pode ser feito atravs de mquinas CNC baseando-se em um modelo CAD da pea final ou, atravs da expanso em moldes metlicos, mtodo utilizado na produo em grande escala. No h limites para a complexidade da pea a ser obtida. Inmeras partes de EPS podem ser unidas para formar um modelo de geometria extremamente complexa. [2,7] A fundio por espuma perdida tem a caracterstica de ser bastante verstil na produo de uma variedade de peas fundidas. Pode-se mudar o processo para fundir ligas diferentes sem que haja grandes interrupes no processo fabril. A maior agilidade representa melhor atendimento aos pedidos dos consumidores [2] e uma enorme vantagem competitiva. Por suas caractersticas, a FEP requer um nmero menor de empregados e uma menor rea de construo quando comparada com outros processos de fundio de preciso e escala equivalentes, o que acarreta uma reduo no investimento inicial necessrio. H meno de que o custo de uma planta para este processo, incluindo o equipamento de produo dos modelos, cerca da metade do custo de uma fundio em areia verde. So desnecessrias as mquinas de machos, misturadores de areia e mquinas de moldagem. O manuseio de areia e os equipamentos de desmoldagem so simplificados, e pode-se substituir os ferramentais de macharia e moldagem por outros de produo de modelos em poliestireno expandido, mais simples e de menor custo. [6]

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No menos importante o fato de, freqentemente, no ser necessria a usinagem final da pea pois, muitas vezes, j se encontra em condies de uso. Por este e outros motivos uma fbrica que utiliza o processo de espuma perdida, ao invs do processo tradicional de fundio em molde de areia, costuma ser muito menos barulhenta e insalubre para os funcionrios. [8] A existncia de um material de preenchimento dentro do molde no momento do vazamento cria condies e problemas peculiares deste processo que no so observados nos processos de molde vazio. A falha na sada dos gases e lquidos provenientes da decomposio da espuma polimrica pode gerar carbono lustroso nas ligas ferrosas, rugosidades ou soldas frias no alumnio e porosidade em ambos. [9]. A peculiaridade do molde estar cheio durante o vazamento adiciona variveis ao processo que devem ser controladas para que se obtenha uma pea fundida de qualidade. Isso faz com o que o processo de FEP requeira maior controle de processo que os processos de molde vazio. [2, 10] Na fundio de ferrosos atravs do processo de FEP observa-se o fenmeno indesejvel de aumento do teor de carbono devido ao contato do metal com os gases da decomposio do preenchimento polimrico. Esta caracterstica impe limitaes e condies ao processo que devem ser contornadas. [2, 3, 9] Se o processo de fundio por espuma perdida pudesse ser aplicado ao ao com o mesmo sucesso que aplicado ao alumnio, abrir-se-ia um campo de enorme potencial. Sendo que o efeito do aumento do teor de carbono na liga o principal fator que inibe a utilizao da FEP para os aos, essencial que se faam pesquisas com o intuito de transpor este desafio tecnolgico. O presente trabalho tem o intuito de analisar o aumento do teor de carbono, a microestrutura obtida e a qualidade final da pea em ao inox martenstico utilizando-se como insumos de fundio o EPS comum e revestimentos refratrios de mulita e zirconita usados na fundio por cera perdida. A razo da escolha destes dois aos se deve ao fato de serem comumente fundidos, de uso corrente e por possurem baixo teor de carbono, fato que facilitar a anlise da variao do carbono aps a fundio. Foram escolhidos estes dois refratrios da fundio por cera perdida por serem de fcil obteno,

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diferentemente dos revestimentos especficos para FEP, ainda incipientes no Brasil. A relevncia deste trabalho se d pela rara existncia de trabalhos que contemplam a utilizao de aos com a fundio por espuma perdida. , portanto, um trabalho que visa lanar luz sobre um campo de pesquisa pouco explorado.

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2 OBJETIVO

Estudar a aplicao do processo de fundio por espuma perdida ao ao, utilizando insumos usados na fundio por cera perdida e, por isso, de fcil obteno. Sero utilizados dois aos inoxidveis martensticos, o CA15 e o CA6NM, usualmente empregados de forma fundida e de uso corrente atualmente. O fato de ambos possurem um baixo teor de carbono permitir analisar o aumento do carbono nas ligas, principal desafio tecnolgico enfrentado pela fundio por espuma perdida. Duas lamas refratrias comuns na fundio por cera perdida sero estudadas. So baseadas em mulita e em zirconita, ambas 200 mesh, da marca Cinco Emmes do tipo PrimeCoat Primeira Lama. Ser utilizado um modelo (rplica da pea) produzido em poliestireno expandido de densidade 23 kg/m3. A areia que preencher o molde ser de granulao 45 AFS, de uso corrente em fundio [9].

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3 FUNDAMENTAO TERICA 3.1 O Processo de Fundio por Espuma Perdida 3.1.1 Histrico

O uso de modelos em poliestireno expandido para a fabricao de peas metlicas foi patenteado por H. F. Shroyer em 1958 [2, 4]. No processo descrito nesta patente Shroyer esculpiu um modelo em EPS (isopor) que foi posicionado em um recipiente e uma mistura de areia com aglomerante foi depositada ao seu redor para, ento, ser despejado o metal lquido. Neste processo o modelo em EPS ficava em contato direto com a areia, pois no foi recoberto com nenhuma camada refratria [2,4,5] O mtodo descrito acima atualmente conhecido como Full Mold e tem a desvantagem de no eliminar a necessidade do aglomerante na areia, tornandose assim, menos vantajoso que o processo de espuma perdida. Inicialmente era comum chamar este mtodo de Espuma perdida porm convencionou-se chamar de Full Mold o mtodo que requer o aglomerante e de Espuma Perdida o mtodo que no requer o aglomerante pois o modelo em EPS recoberto com uma camada refratria. O processo Full Mold ainda utilizado na fabricao de peas de grandes dimenses [11]. Em 1964, M. C. Flemmings utilizou pela primeira vez a areia sem aglomerantes, utilizando um modelo em poliestireno expandido recoberto por camada refratria, da forma que utilizada atualmente. [2,4] A fundio por espuma perdida tambm conhecida por vrios outros nomes como: evaporative pattern casting, cavityless casting, evaporative foam casting, Styrocast, Foamcast, Styrocast, Policast, e foam vaporization casting [11]. Alguns destes nomes so marcas registradas, outros utilizam pequenas modificaes no processo para contornar patentes existentes, mas so basicamente iguais. A expirao da patente de Flemmings nos anos 80 deu o impulso necessrio para que as pesquisas fossem intensificadas nesta rea. Desde ento a FEP j

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utilizada de forma corrente na produo de peas complexas em alumnio, como blocos e cabeotes de motores, peas intrincadas de maquinrios, alm de peas complexas em ferro fundido. [12] Dados de 2005 projetavam para o mercado mundial de 2007 que 29% do volume de fundio de alumnio e 14% do volume de ligas ferrosas seriam vazados atravs do processo de FEP. [4] A General Motors Company, em sua linha de carros da marca Saturn, utiliza unicamente o processo de FEP na fabricao de blocos e cabeotes do motor, luvas do cilindro, coletores de admisso, virabrequins e caixas do diferencial, fabricados em alumnio e em ferro fundido. Montadoras como Honda, Fiat, Ford e Peugeot tambm utilizam a FEP em maior ou menor grau. [12]

3.1.2 Etapas do processo

Foram adotadas as seguintes convenes que sero utilizadas neste trabalho: Espuma: Material de que feito o modelo, pode ser EPS, PMMA ou qualquer outro polmero expandido. Modelo: Rplica da pea feita em espuma. Lama refratria: Mistura lquida contendo o material refratrio em suspenso. Revestimento refratrio: Camada refratria resultante da aplicao da lama ao modelo. Molde: Compartimento contendo em seu interior o modelo revestido com refratrio e a areia solta sem ligantes envolvendo o modelo revestido.

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O processo de fundio por espuma perdida pode ser separado em duas fases principais conforme ilustrado pela figura 3.1: Fase Branca: Confeco e recobrimento do modelo de EPS Fase Marrom: Vazamento do metal lquido sobre o molde

Figura 3.1: Fluxograma do processo

Em processos industriais de FEP no se costuma fundir uma pea por vez. Costuma-se juntar vrios moldes de peas individuais ligados a um nico canal de enchimento central. Isso agiliza o processo por produzir em batelada, economiza energia e aumenta o rendimento metalrgico devido a um nico canal de alimentao. O processo de formao dos cachos de peas at a obteno final dos fundidos pode ser visto na figura 3.2.

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Figura 3.2 O processo de fundio por Espuma Perdida

Etapas do processo: 1) Parte-se da confeco do modelo em espuma (EPS, PMMA). Isto pode ser feito atravs da expanso industrial em moldes metlicos ou da usinagem e colagem manual. 2) Como forma de otimizar a produo, os modelos so geralmente agrupados em conjuntos chamados cachos. So constitudos de vrios modelos colados a um canal central que serve para conduzir o metal lquido para dentro dos modelos em espuma. Desta forma, com um nico vazamento, so produzidas vrias peas. 3) Os cachos so recobertos com uma lama refratria de caractersticas reolgicas controladas. Apenas a parte superior no recoberta para permitir o vazamento do metal lquido. Se necessrio, pode-se depositar mais de uma camada de refratrio. 4) Espera-se at que a lama esteja totalmente seca. Pode-se usar secagem forada com ventiladores / estufa ou secagem ao ar livre. 5) O cacho j revestido posicionado em um recipiente onde despejada areia at que o mesmo esteja coberto. Como forma de melhorar a compactao da areia comum que haja um sistema vibratrio acoplado ao recipiente.

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6) Despeja-se o metal lquido diretamente na parte de EPS exposta at que o molde esteja completamente preenchido. 7) Espera-se at que o sistema esfrie. 8) Separa-se o cacho da areia. Aps uma rpida peneirada para retirar resqucios slidos a areia est pronta para ser reutilizada. 9) Separam-se as peas do cacho. As peas esto prontas.

3.1.3 Preciso do processo

A fundio por cera perdida utilizada desde a poca de Jlio Cesar e ainda hoje o processo de fundio escolhido quando se deseja altssima preciso e reprodutibilidade de processo [2, 13]. Desde pequenas peas a grandes partes de turbinas so fabricadas usando vrios tipos de ligas. [13] A inexistncia de espuma dentro do molde no processo de cera perdida evita muitos dos problemas encontrados na fundio por espuma perdida. Por outro lado, a FEP muito mais barata, sobretudo por no necessitar da etapa de processo onde a cera retirada de dentro do molde. [14] Em peas maiores, a FEP tende a ser mais precisa do que o processo de cera perdida pois o molde, por ser mais leve, tende a sofrer menos deformaes devido ao seu prprio peso. [14, 15] A figura 3.3 ilustra valores mdios de variao dimensional em relao ao tamanho da pea (quanto menor o valor da preciso, melhor).

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Figura 3.3 Comparativo da preciso do processos de fundio (menos melhor) [14, 15]

Principalmente para peas de pequena espessura a cera perdida leva vantagem devido maior rigidez da cera em relao espuma. Alm disso, o fato do molde estar vazio evita o potencial aparecimento de algum defeito proveniente da decomposio da espuma na pea, que por ser pequena, poderia levar falha da mesma. [2]

3.2 Espumas polimricas 3.2.1 Caractersticas Gerais

A peculiaridade do processo de Fundio por Espuma Perdida o fato de haver um material de preenchimento dentro do molde no momento do vazamento. Isto acarreta um maior nmero de variveis de que devem ser controladas para se obter peas sem defeitos. Assim como acontece com as caractersticas do refratrio, as caractersticas e propriedades das espumas que compem o modelo apresentam forte influncia na qualidade da pea final, tanto na quantidade de defeitos como no aumento do teor de carbono e no tempo de preenchimento. [16, 17, 18] Quanto menor a densidade do modelo em espuma, menor ser a tendncia de aparecerem defeitos de fundio devido menor quantidade de massa

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polimrica que dever ser decomposta. Por outro lado, quanto menor a densidade do modelo, menor ser sua resistncia mecnica e, portanto pior ser a preciso da pea fundida. Busca-se assim um equilbrio entre a resistncia mecnica da espuma (e por conseqncia, do modelo) e a quantidade de gs gerado. Isto se torna crtico em sees finas da pea, pois, alm da maior necessidade de resistncia da espuma devido pequena espessura, a existncia de um defeito localizado potencialmente mais danoso. [20]

3.2.2 Propriedades das Espumas

A seguir sero citadas as principais propriedades das espumas polimricas que afetam diretamente a qualidade das peas obtidas: Distribuio de Peso Molecular A distribuio de peso molecular (DPM) do polmero est diretamente relacionada com os produtos de decomposio que sero gerados na degradao. Faixas estreitas de DPM, ou seja, mais concentradas em algum peso molecular especfico, tendem a gerar (para uma mesma temperatura) maior quantidade de gs quando comparadas com faixas menos concentradas. O Peso Molecular (PM) mdio est relacionado com a quantidade de ligaes qumicas que sero quebradas na decomposio da espuma. Espumas com PM baixo tendem a gerar maior quantidade de gs, especialmente em baixas temperaturas, devido ao maior teor de produtos de decomposio com baixo peso molecular e, por isso, mais volteis. [3]

Grau de Fuso das Prolas O grau de fuso das prolas (pequenas bolinhas que compem a espuma) dependente das variveis do processo de obteno da espuma, entre elas: teor de pentano, tempo de injeo, temperatura e presso. A figura 3.4 ilustra dois casos extremos, um de alta fuso entre prolas e outro com baixa fuso.

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Figura 3.4 Graus de fuso entre prolas. (a) baixa fuso e (b) alta fuso [21].

Observando-se uma parte fraturada da espuma polimrica percebe-se que a fratura pode se dar entre os gros (deixando os gros intactos) ou atravs dos gros (cortando-os ao meio). Estas fraturas so denominadas, respectivamente, de inter-prolas e trans-prolas. O grau de fuso das prolas pode ser medido comparando-se numa regio fraturada do EPS a razo entre a rea de fraturas inter-prolas com a trans-prolas. Quanto maior a quantidade de gros intactos, menor o ndice de fuso das prolas. Um alto ndice de gros cortados na fratura indica alta fuso entre prolas. A figura 3.5 ilustra dois casos extremos de fratura.

Figura 3.5 - Fratura em EPS. (a) fratura inter-prolas, (b) fratura intra-prolas [21]

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Estudos realizados por Rossacci et al [21] indicam que a velocidade em que as prolas colapsam em resposta exposio ao calor proporcional ao grau de fuso das prolas. Isto pode ser explicado pelo fato da menor fuso entre prolas favorecer a permeabilidade do EPS aos gases. Desta forma o gs quente penetra no EPS frente da regio de maior temperatura realizando, assim, um pr-aquecimento das prolas e facilitando o posterior colapso no momento que a frente de metal lquido se aproximar mais. A conseqncia disto que modelos com menor fuso entre prolas tendem a propiciar um tempo menor de preenchimento do molde no processo de fundio por espuma perdida [16, 20]. Tamanho das Prolas: O tamanho mdio das prolas da espuma tem influncia marcante no aspecto superficial da pea obtida j que a pea em metal mimetiza perfeitamente o modelo em espuma. Quanto menor o tamanho das prolas, melhor ser o acabamento superficial da pea. Temperatura de Transio Vtrea (Tg): Espumas cujo polmero apresenta uma alta temperatura de transio vtrea apresentam maior dificuldade em fundir as prolas, e portanto tempos mais longos de enchimento. Em contrapartida oferecem maior estabilidade dimensional do modelo, pois o colapso somente ocorre quando a espuma exposta a temperaturas mais altas. Agente expansor: A quantidade e o tipo do agente expansor utilizado tm influncia na densidade e na preciso do modelo. Aps o modelo em espuma ter sido fabricado, este sofre uma contrao dimensional devido liberao gradual do agente expansor que estava em sua composio. Quando no controlado adequadamente, pode ocorrer a deformao do modelo.

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No caso do EPS, a contrao total fica na faixa de 0,8% em volume e a maioria dos autores considera como 30 dias o tempo de estabilizao (figura 3.6). [23]

Figura 3.6 Contrao do EPS em funo do tempo [23]

A contrao dos modelos de EPS pode ser contornada de duas formas. Pode-se utilizar os modelos rapidamente sem dar tempo contrao, ou podese fazer o modelo ligeiramente maior para que, aps a contrao, geralmente auxiliada por tratamento trmico na faixa do 50C, este atinja as dimenses requeridas. A opo mais vantajosa vai depender de uma srie de fatores que devem ser levados em considerao para cada caso.

3.2.3 O Poliestireno Expandido (EPS)

Figura 3.7: Estrutura do Poliestireno

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O poliestireno um polmero aromtico termoplstico obtido do monmero estireno, um hidrocarboneto proveniente do petrleo. Foi sintetizado pela primeira vez pela BASF nos anos 30 e atualmente amplamente utilizado em copos descartveis, canetas, tampas etc. [21] Seu uso mais comum, no entanto, na forma de poliestireno expandido, tambm conhecido como EPS ou isopor. uma mistura de aproximadamente 5% poliestireno e 95% de ar. As inmeras bolhas de ar aprisionadas no EPS conferem baixa condutividade trmica o que faz com que seja usado em embalagens de alimentos e isolao trmica de residncias. [21] Na fabricao dos modelos em EPS so expandidos grnulos de poliestireno (com dimetro de 500 a 800 m) contendo 6 a 7% de n-pentano at uma temperatura superior temperatura de transio vtrea. [22] O grnulo ao expandir transforma-se na chamada prola que nada mais do que o grnulo que cresceu, sendo que a razo entre o volume ps e pr expanso de 5 a 10 vezes. [22] As prolas, aps um tempo de espera para que ocorra a difuso gasosa no seu interior, so injetadas em um molde e aquecidas a temperaturas superiores temperatura de transio vtrea. O n-pentano residual presente nas prolas faz com que estas cresam at o ponto de uma prola encontrar outra e, na regio de contato, ocorrer a fuso. Obtm-se, assim, uma pea em EPS no formato do modelo onde ocorreu a expanso. [22] O uso do EPS na Fundio por Espuma Perdida se d devido ao seu baixo custo e disponibilidade, porm muitos resduos de carbono so liberados devido presena de um anel aromtico em sua estrutura. Isso aumenta a chance de ocorrerem defeitos de fundio e de haver o aumento do teor de carbono na fundio de aos [3, 9, 19]. Como alternativa, na indstria, comum o uso do PMMA, polimetil-metacrilato. Devido sua estrutura qumica, h menos carbono residual no momento da degradao o que contribui para a diminuio das caractersticas indesejveis citadas acima. [3, 9] Todavia, o custo do PMMA de 5 a 10 vezes maior, o que faz com, em muitas aplicaes, o EPS seja utilizado mesmo apresentando as desvantagens citadas acima. [6]

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3.2.4 PMMA

Acrlico ou polimetil-metacrilato (PMMA) um material termoplstico rgido e transparente. considerado um dos polmeros mais versteis da atualidade por sua facilidade de adquirir formas, por sua leveza e alta resistncia. [24] A denominao qumica desse polmero sinttico poli(metil-2metilpropenoato). Desenvolvido em 1928 em vrios laboratrios, surgiu no mercado em 1933 atravs da empresa alem Rohm and Haas [24]. A figura 3.8 ilustra sua estrutura qumica.

Figura 3.8: Estrutura do Acrlico [24]

O PMMA apresenta melhores resultados do que o EPS no tocante quantidade de defeitos de fundio e ao aumento do teor de carbono na liga. aplicado com sucesso na obteno de peas em ferro fundido, alumnio e ao.

3.2.5 Outras Espumas Utilizadas na FEP

No apenas o EPS ou o PMMA pode ser utilizado no processo. Em tese qualquer material passvel de decomposio com o calor pode ser usado. So caractersticas desejveis de uma espuma para a FEP [6, 25]: Estabilidade dimensional Conformabilidade Baixo volume de gases de decomposio Produtos de decomposio de baixo peso molecular

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Produtos de decomposio que no reajam com o metal Grande tempo de armazenagem Baixo custo Baixa agressividade ao meio-ambiente

Pesquisas com o SAN (Estireno Acrilonitrila), material utilizado em embalagens e utenslios domsticos, demonstraram uma pequena vantagem na formao de defeitos em relao ao EPS, porm no encontraram uso comercial. [25] Foram desenvolvidas espumas polimricas especialmente criadas para a Fundio por Espuma Perdida. Muitas so baseadas em poliestireno expandido aditivado de baixa densidade e outras baseadas em PMMA como o Clearpor da JSP Chemical. Vrios polmeros esto sendo investigados como potenciais formadores de espumas para FEP como o EPMMA (polimetil metacrilato expandido) alm de blendas de EPS e EPMMA, mas at o momento no encontraram aplicao comercial. [20]

3.2.6 A Decomposio das Espumas

A caracterstica da degradao de cada espuma dependente da temperatura e do mecanismo de decomposio do material constituinte. Desta forma espera-se que um mesmo material polimrico gere produtos de decomposio em propores diferentes quando no vazamento de ligas ferrosas (1200 - 1700C) e no vazamento de alumnio (600 800 C). A figura 3.9 ilustra este fato.

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Figura 3.9 Produtos de decomposio do EPS em funo da temperatura. [3]

Nota-se que em baixas temperaturas h predominncia de fases polimricas no decompostas completamente. Com a evoluo da temperatura h a quebra destas fases em metano e, posteriormente, em carbono (fuligem) e hidrognio. Na fundio por espuma perdida de ligas ferrosas a razo mssica de metal / espuma da ordem de 250:1. Com essa proporo esperado que a espuma seja exposta a uma temperatura prxima do metal lquido. Foi constatado que em vazamentos de ferros fundidos ou aos, em situaes reais de fundio utilizando-se EPS, os produtos da decomposio so realmente gs hidrognio e carbono slido. [25] Na FEP de ligas de alumnio, o vazamento ocorre numa temperatura mais baixa e a razo mssica metal / espuma menor devido pequena densidade do alumnio em relao ao ferro. Por este motivo comum na fundio de alumnio que a temperatura efetiva de decomposio da espuma seja menor que a temperatura do metal lquido e que os produtos da decomposio das espumas sejam constitudos principalmente de fases lquidas de polmero de variados pesos moleculares [25, 26, 27]. Muitas vezes devido menor energia trmica disponvel, o alumnio se solidifica dentro do molde sem que toda a fase lquida tenha sido expelida atravs da camada refratria. Essa caracterstica explica o porqu ocorrem defeitos de fundio no alumnio como soldas frias e rugosidades que so

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menos freqentes na fundio de ao ou ferro fundido. Nas ligas ferrosas o defeito de fundio tpico o carbono lustroso, ocasionado pelo acmulo de grafite. [25, 26] So conhecidos trs modos diferentes de decomposio por calor que os polmeros podem sofrer: a ciso aleatria de cadeias, abertura de cadeia e eliminao [25]. As caractersticas qumicas de cada polmero iro determinar qual destes processos o mais favorvel termodinamicamente. A decomposio do poliestireno (constituinte do EPS) ocorre atravs do mecanismo de ciso aleatria das cadeias que tem como vantagem produzir uma quantidade pequena de gs. Porm, ocorre tambm a formao de uma fase liquida cujo resduo de decomposio pouco voltil por ser muito rico em carbono, conseqncia da decomposio do grupo aromtico presente no estireno. [25] O PMMA, por outro lado, se decompe atravs do processo de abertura de cadeia, o inverso da polimerizao. Este processo gera mais fase gasosa por causa do baixo peso molecular dos produtos gerados [25]. A tabela 3.1 ilustra as diferenas entre o EPS (isopor) e o PPMA.Tabela 3.1 Caractersticas do EPS e do PPMA [C32]

Por produzir uma maior proporo de fase gasosa, o processo de abertura de cadeia mais adequado utilizao na FEP, pois os gases gerados tm maior facilidade em penetrar pela camada refratria no acarretando assim, defeitos de fundio e aumento do teor de carbono do metal. Alm disso, a

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presena de tomos de oxignio no PMMA e a ausncia de um grupo aromtico contribuem mais ainda para evitar a formao de resduos no volteis. [25]

3.2.7 Melhoria das caractersticas do EPS

Muitas pesquisas tm sido feitas para diminuir os defeitos de fundio tpicos da decomposio do EPS. O objetivo melhorar suas caractersticas para que, em muitas aplicaes, no seja necessria a utilizao do PMMA ou de outras espumas de maior custo. Um caminho dessa pesquisa tem sido a diminuio da densidade. Dessa forma haver menos material a ser decomposto e, conseqentemente, potencialmente menos defeitos. A incorporao de outros agentes expansores como o iso-pentano e ciclopentano ao n-pentano possibilitou a obteno de EPS com densidades de at 16 kg/m3 sem que a rigidez mecnica requerida fosse perdida [28] . A utilizao de EPS com aditivos j corrente em algumas indstrias. Aditivos orgnicos de bromo so uma opo, pois em alta temperatura, liberam radicais livres que atacam a cadeia do poliestireno reduzindo o peso molecular e aumentando a proporo de gases na decomposio.[28] Foi comprovada a eficcia da adio de perxidos ao EPS. O oxignio liberado por estes grupos qumicos reage com o carbono slido da decomposio formando CO ou CO2 que, sendo gasoso, facilmente expelido de dentro do molde e evita a formao do carbono lustroso. [28]

3.3 Caractersticas do Refratrio

Quando comparada com outros processos de fundio, observa-se que na FEP o enchimento pelo metal lquido dependente da quantidade de produtos de decomposio gerados e da maneira com que esses produtos so transportados para fora do sistema. Enquanto que a natureza dos produtos degradados est relacionada com alguns parmetros de processo tais como as

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caractersticas da espuma, a temperatura de vazamento e tipo de liga, o transporte est relacionado com as caractersticas do refratrio, como a permeabilidade e sua espessura. [3] Por este motivo, a camada de refratrio um dos componentes mais importantes no processo de Fundio por Espuma Perdida e o controle de suas propriedades, essencial. Atualmente existem formulaes de lamas refratrias especficas para FEP, porm so muito semelhantes s lamas utilizadas na fundio por cera perdida, diferindo apenas nas propores dos componentes utilizados. Sua composio, invariavelmente, contm material refratrio, ligante, dispersante, suspensivo e um agente bactericida. A funo primordial do ligante aumentar a resistncia mecnica do refratrio, aglomerando suas partculas e mantendo-as nicas aps a secagem. Para que cumpra esta funo, o ligante usualmente apresenta uma granulometria muito menor do que a do refratrio [2, 6] Os ltimos avanos em formulaes de lamas refratrias vieram na forma de produtos com menor produo de gases, maior isolamento trmico e baixa deformao em alta temperatura. Estes fatores contriburam para deixar uma superfcie mais lisa do fundido e reduzir os defeitos superficiais. Atualmente so adicionados espessantes, fixadores, fungicidas e antiespumantes.[6] O controle das variveis da lama refratria determinante na qualidade da pea fundida. Estas variveis so: viscosidade, teor de slidos, permeabilidade e espessura da camada refratria aps seca. [29] A viscosidade uma medida associada capacidade de recobrimento da lama. usualmente determinada atravs da resistncia rotao de um corpo cilndrico imerso na lama ou da medida da facilidade de escoamento por um canal de dimenses conhecidas. A viscosidade tem que ser tal de forma a possibilitar o recobrimento de todas as partes da pea sem escorrer, mas por outro lado, no pode ser alta em demasia a ponto de criar regies com camada muito espessa devido possibilidade de gerar defeitos. [29] Quanto maior a viscosidade da lama refratria, maior ser a espessura da camada obtida e, como conseqncia, menor ser a condutividade trmica desta camada. Desta forma, camadas finas de refratrio tendem a gerar

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microestruturas metlicas mais refinadas do que as obtidas com camadas grossas. O teor de slidos a proporo de massa total que resta aps a retirada do veculo na lama via aquecimento e evaporao. O veculo geralmente gua j que a maioria dos solventes orgnicos reagiria quimicamente com o EPS. Esta medida importante, pois o indicador da quantidade efetiva de refratrio que foi fixado pea. A permeabilidade depende da espessura da camada refratria e de sua natureza. Uma alta espessura desta camada e/ou uma pequena porosidade da mesma resultam em uma baixa permeabilidade da camada refratria passagem dos gases da decomposio. Desta forma pode-se estabelecer uma relao entre o tempo de enchimento do molde e a permeabilidade efetiva da camada refratria. [29, 30] Valores baixos de permeabilidade refletem em tempos longos de enchimento o que pode gerar congelamento das frentes de avano do metal lquido, soldas frias e preenchimento incompleto, especialmente na fuso de ligas de alumnio. Alm disso, pode dificultar tanto a sada dos gases a ponto de gerar uma contrapresso superior oferecida pela presso metalosttica causando problemas de enchimento. [29, 30] Altas permeabilidades de camada podem gerar peas fundidas com baixa qualidade superficial devido ao enchimento rpido e turbulento que no oferece tempo suficiente para a degradao e expulso dos produtos de decomposio. [16, 17, 29] Devido relevncia do refratrio no processo de FEP, faz-se necessrio controlar os parmetros da camada refratria para que se obtenha, de modo reprodutvel, peas com boa qualidade. So variveis controladas no processo: Controle do tamanho das partculas: A morfologia e o tamanho das partculas de uma camada refratria so diretamente relacionados com a permeabilidade aos gases. Partculas pequenas e regulares se compactam de forma a deixar poucos espaos vazios entre elas o que dificulta a passagem dos gases da decomposio por entre

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esses espaos vazios. De modo oposto, partculas grandes e irregulares formam uma camada refratria em que h uma rede de comunicao de espaos vazios bem ampla, oferecendo menor resistncia aos gases e, portanto, acarretando em menores tempos de enchimento. Proporo de ligante O ligante adicionado na composio das lamas refratrias porque responsvel por manter as partculas de refratrio aderidas entre si aps o veculo (geralmente gua) ter evaporado. Caso contrrio a camada refratria seria quebradia e pouco coesa. Geralmente apresenta um tamanho mdio de partcula muito inferior partcula refratria e por isso, tem um efeito significativo de diminuio da permeabilidade por bloquear a passagem dos gases atravs dos espaos vazios. Espessura do refratrio Como discutido anteriormente, altas espessuras de camada refratria oferecem uma baixa permeabilidade efetiva aos gases da decomposio devido maior distncia que os gases devem superar atravs do revestimento refratrio at a areia. A seguir sero descritas os refratrios que sero utilizados para a elaborao da lama de revestimento neste trabalho: 3.3.1 Mulita

A Mulita o nome dado fase intermediria do sistema Al2O3-SiO2. Esccia [31], da o seu nome.

A

ocorrncia natural rara, sendo encontrada na ilha de Mull, na costa oeste da Sua formula qumica 3Al2O3.2SiO2. Porm, de fato, trata-se de uma soluo slida que existe em equilbrio nas composies entre 60-63 % mol de 3Al2O3 em temperaturas inferiores a 1600C. A figura 3.10 apresenta um diagrama de fases do sistema em que a mulita est contida.

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Figura 3.10 - Diagrama de Fase SiO2-Al2O3

A Mulita utilizada h muito tempo como um material refratrio. Dentre suas caractersticas pode-se citar [31]: Alta resistncia mecnica em alta temperatura Alta resistncia ao choque trmico tima estabilidade trmica Alta resistncia qumica, oxidao e abraso A tabela 3.2 apresenta as principais propriedades da mulita.Tabela 3.2 Propriedades da mulita [31]

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3.3.2 Zirconita

A zirconita, nome dado ao silicato de zircnio (ZrSiO4) se apresenta na forma de um p branco que quimicamente inerte e estvel em altas temperaturas, alm de ser insolvel em gua. A tabela 3.3 apresenta as principais propriedades da zirconita.Tabela 3.3 Propriedades da Zirconita [31]

3.3.3 Formas de aplicao da lama refratria

Pode-se aplicar a lama refratria atravs das tcnicas de jorro, imerso ou pulverizao. No entanto a imerso a melhor opo, pois obtm-se com maior facilidade uma maior uniformidade de espessura de camada. Aps a aplicao necessrio esperar a secagem da lama. Isto pode ser conseguido atravs de aquecimento em estufa, ao ar livre ou at mesmo com microondas. De qualquer maneira importante no expor o molde a temperaturas superiores a 50C, pois pode ocorrer a distoro do modelo em EPS. [6]

3.4 Os Aos Inoxidveis Martensticos C6NM e CA15 3.4.1 Aos inoxidveis

O ao inoxidvel foi descoberto no comeo do sculo XX simultaneamente por pesquisadores Britnicos e Alemes. Foi fruto da pesquisa por canos de

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armas mais durveis. Percebeu-se que a adio de 12% de cromo ao ao tornava-o muito mais resistente ao ataque cido e oxidao em geral [32]. O primeiro ao inox comercial foi o 18-8 (18% Cr, 8% Ni). Inicialmente oferecido na Sucia, esta liga foi um grande sucesso. Atualmente os aos inoxidveis so amplamente utilizados e indispensveis. Porm seu maior custo limita suas aplicaes fazendo com que apenas 2% da produo mundial de ao seja dessa liga. [33] Os aos inoxidveis aplicados usualmente em campo so classificados em cinco famlias, de acordo com a microestrutura de cada tipo: ferrticos, martensticos, austenticos, duplex, alm dos aos inoxidveis martensticos e duplex endurecidos por precipitao. [31, 32] Apesar dos inmeros metais adicionados aos aos inox, os dois principais elementos qumicos que, adicionados ao sistema Fe-C, compem um inoxidvel so o cromo e o nquel. O cromo forma um filme de xido contnuo, aderente e estvel na superfcie, que protege o ao contra o ambiente corrosivo. Alm disso, para o ao ser considerado inoxidvel num sistema Fe-Cr e em meio a solues aquosas com pH por volta de 7, uma quantidade mnima de 12% de cromo deve estar dissolvida na matriz, sendo que em meios mais agressivos o teor de cromo deve ser aumentado. [32] Porm, a ao protetora do cromo s ocorre se este estiver efetivamente dissolvido na matriz. Caso haja a precipitao, segregao ou formao de fases intermetlicas de cromo, o efeito passivante diminuir proporcionalmente formao destas fases. O nquel o principal elemento estabilizante de austenita e por isso usado na obteno de aos inoxidveis austenticos que, devido ao alto preo do nquel, so aplicados onde a exigncia de resistncia oxidao mais severa. [2, 23] Os conceitos de nquel e cromo equivalente foram criados para normalizar o efeito da adio de vrios outros elementos qumicos ao ao e quantificar a contribuio deles evoluo da microestrutura. Faz-se assim uma correlao entre a composio qumica e a microestrutura do ao.

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O Diagrama de Schaeffler correlaciona o nquel e cromo equivalentes presentes no ao com a microestrutura esperada. Esse diagrama foi desenvolvido para ser empregado em situaes de rpido resfriamento como na soldagem. Porm, pode ser utilizado na fundio como um indicador das fases que provavelmente estaro presentes. A Figura 3.11 ilustra a localizao dos aos CA15 e CA6NM neste diagrama. Pode-se ver que ambos esto localizados no campo intermedirio entre a martensita e a ferrita, evidenciando que ambos so aos inoxidveis martensticos.

Figura 3.11: Localizao dos aos CA15 e CA6NM no Diagrama de Schaeffler. [34]

Os aos inoxidveis fundidos so classificados pelo Alloy Casting Institute (ACI) de acordo com sua utilizao e composio qumica [32]. No ao CA6NM o C significa que este apresenta resistncia a meios corrosivos. A letra A exprime o teor de nquel da liga. Quanto mais nquel na liga, a designao se altera de A Z. Os nmeros que seguem s duas primeiras letras indicam a porcentagem mxima de carbono. Por ltimo, as letras subsequentes indicam os elementos qumicos presentes na liga. Neste caso, nquel (N) e molibdnio (M).

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3.4.2 Ao Inoxidvel Martenstico CA15

O ao CA15 uma liga Fe-Cr contendo a mnima proporo necessria de cromo para torn-lo inoxidvel. Alm da boa resistncia corroso ao ar livre tambm adequado ao uso em ambientes no muito corrosivos, como aqueles onde h substncias orgnicas. [34] uma liga que apresenta alta temperabilidade, de modo que uma vasta gama de durezas e propriedades mecnicas podem ser obtidas, mesmo em peas de grande tamanho. [34] Se recozido, a matriz ferrtica ou martenstica apresenta partculas de carbonetos aglomerados. Dependendo da temperatura, a liga temperada pode apresentar perlita numa matriz martenstica, resultando num material altamente resistente ao desgaste abrasivo. utilizado em componentes de turbina a jato, hlices de navio, vlvulas, engrenagens. compatvel com amnia, alcalinos, hidrocarbonetos a altas temperaturas, maquinrio de alimentos, vapor e cidos oxidantes. [2, 34]. Antes de se realizar qualquer operao de soldagem recomendado que a pea seja pr-aquecida na faixa entre 200C a 320C e no permitir que a temperatura caia para menos de 150C durante o procedimento. Como tratamento trmico ps soldagem preconizado aquecer a pea para a faixa entre 600C a 760C e, aps a uniformizao da temperatura, resfriar ao ar. [34] A figura 3.12 e as tabelas 3.4 e 3.5 apresentam as propriedades mecnicas e a composio deste material.

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Figura 3.12 Propriedades mecnicas em alta temperatura do CA15 [34].

Tabela 3.4 Propriedades mecnicas tpicas [35] CA15 Limite de escoamento (MPa) Limite de resistncia (MPa) Alongamento at fratura (%) Min 520 Min 690 Min 17%

Tabela 3.5 Composio Qumica Ao CA15 [35]Composio % Peso C Mn Si P S Cr Ni Mo

Mn. Mx. Mn. Mx. Mn. Mx. Mn. Mx. Mn. Mx. Mn. Mx. Mn. Mx. Mn. Mx. 0,15 1 1,5 0,04 0,04 11,5 14 1 0,5

Os aos CA15 apresentam uma estrutura essencialmente martenstica e/ou perltica dependendo da velocidade de resfriamento. O baixo teor de nquel no efetivo em evitar a formao da perlita como ocorre no ao CA6NM. Por este motivo o CA15 apresenta uma grande faixa de dureza que pode ser obtida e o teor de carbono mais elevado o torna muito tempervel (144 a 400 HB). [34]

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A figura 3.13 apresenta a estrutura tpica dos aos CA15.

Figura 3.13- Microscopia tpica da liga CA-15, bruto de fuso. Consiste de uma matriz martenstica com partculas escurecidas de carboneto de cromo nos contornos de gro Vilella, 310x [2]

3.4.3 Ao Inoxidvel Martenstico CA6NM

O ao inoxidvel CA6NM foi desenvolvido na dcada de 1960 na Sua e apresenta excelentes combinaes de propriedades mecnicas, resistncia corroso sob tenso e ao desgaste abrasivo, alm de tima tenacidade baixa temperatura. Devido a essas caractersticas utilizado na fabricao de componentes para as mais diversas aplicaes, tais como: rotores de turbinas hidrulicas, componentes na indstria qumica e de petrleo [32]. O CA-6NM uma liga Fe-Cr-Ni-Mo que endurecvel por tratamento trmico. Apresenta propriedades mecnicas e de corroso muito parecidas com a liga CA15. No entanto, a adio de Ni e Mo melhora sua resistncia a ambientes contendo cloreto e, embora sua resistncia mecnica possa ser comparada a do CA15, a resistncia ao impacto e cavitao duas vezes maior. Grandes sees e complexas estruturas podem ser fundidas em CA-6NM sem dificuldades [2, 32, 34].

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O CA6NM tem sido empregado em substituio ao CA15. O alto teor de carbono do ao CA15 (0,15%) favorece a ocorrncia de uma grande quantidade de peas defeituosas com altos ndices de trincas quente, micro-rechupes e incluses. Estes defeitos podem ser explicados pelo amplo intervalo entre as linhas liquidus e solidus. O ao CA6NM devido ao baixo teor de carbono (0,06%) e adio de nquel e de molibdnio apresenta um estreitamento no intervalo entre as linhas liquidus e solidus (de 110C no CA15 para apenas 26C no CA6NM) proporcionando uma reduo da ocorrncia desses defeitos de solidificao e uma melhor soldabilidade, o que dispensa o tratamento trmico aps soldagem e o pr-aquecimento do metal de base [32]. O ao CA6NM geralmente utilizado na forma normalizado e revenido. Nesta condio a microestrutura basicamente 100% martenstica, mas pode conter austenita retida em quantidades considerveis [32, 36]. Isso benfico, pois proporciona uma excelente combinao entre dureza e tenacidade ao material. O pr-aquecimento antes da soldagem recomendado apenas para peas mais espessas. Se necessrio, deve ser feito na faixa de 100C a 180C. A pea deve ser mantida em uma temperatura entre 180C a 260C durante a soldagem. E, aps finalizada, recomendado resfriar a pea para pelo menos 100C antes do revenimento, que deve ser realizado entre 600C e 620C. A exposio deste ao ao intervalo de temperatura de 593C a 266C deve ser a mais rpida possvel, pois h perda de tenacidade nesta faixa de temperatura. [34] A figura 3.14 e as tabelas 3.6 e 3.7 apresentam as propriedades mecnicas e a composio deste material.

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Figura 3.14 Propriedades mecnicas em alta temperatura do CA6NM [34].

Tabela 3.6 Propriedades mecnicas tpicas [34] CA6NM Limite de escoamento (MPa) Limite de resistncia (MPa) Alongamento at fratura (%) Min 550 760 930 Min 15%

Tabela 3.7 Composio Qumica Ao CA6NM [35]Composio % Peso C Mn Si P S Cr Ni Mo

Mn. Mx. Mn. Mx. Mn. Mx. Mn. Mx. Mn. Mx. Mn. Mx. Mn. Mx. Mn. Mx. 0,06 1 1 0,04 0,03 11,5 14 3,5 4,5 0,4 1

3.4.4 Efeitos do Aumento do Carbono

O aumento do carbono tem efeito austenitizante nas ligas Fe-Cr. O carbono amplia o campo austentico permitindo que mais cromo (ferritizante) possa ser adicionado liga sem que se perca a temperabilidade do material [32]. A figura 3.15 mostra a variao do diagrama Fe-Cr em relao ao aumento de carbono.

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Pode-se ver que para teores maiores de carbono ocorre o alargamento do campo . Nos aos CA6NM o baixo teor de carbono e a presena de cromo, alm de estreitar o campo austentico, tornam a ferrita delta estvel em temperaturas mais baixas, o que tende a reduzir a tenacidade. Este efeito compensado pela adio de Ni que expande o campo austentico e possibilita a austenitizao completa e posterior tmpera com a formao de martensita. A ferrita delta comumente associada a uma perda da dutilidade do material [32]. mais crtica e ocorre em maior intensidade no resfriamento rpido tpico da soldagem. Durante a fundio a velocidade mais lenta de resfriamento d mais tempo para a ferrita se transformar em austenita e, em seguida, em martensita.

Figura 3.15 Diagrama de Equilbrio Fe-Cr para diferentes teores de Carbono. a) 0,05%, b) 0,1%, c) 0,2%, d) 0,4% Neste diagrama kc, k1 e k2 so os carbonetos M3C, M23C6, M7C3.[32]

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A formao da martensita no se processa totalmente. comum haver traos de austenita na estrutura bruta de fuso [32]. Esta austenita residual provavelmente se forma devido baixa velocidade de solidificao da pea fundida o que permite a segregao de elementos estabilizadores da austenita como o carbono e o nquel. Estes elementos diminuem localmente a temperatura de incio de transformao martenstica para valores abaixo da temperatura ambiente [32], fazendo assim com que fiquem traos de austenita retida. Se mantidas as condies de equilbrio, a diminuio da temperatura resultar na formao da fase alfa. Porm, diagramas TRC (transformaes com resfriamento contnuo) levantados por Crawford [53] para o CA6NM indicam que em situaes reais, mesmo em velocidades muito lentas de resfriamento, de aproximadamente 26 horas, no h formao de outro constituinte (ferrita, perlita, bainita) alm da martensita. O ao CA6NM tem uma estrutura bruta de fuso composta essencialmente de martensita macia com pequenas quantidades de ferrita delta e austenita super-resfriadas [32]. Alm disso, pode ocorrer tambm em pequenas quantidades a precipitao de carbonetos e carbonitretos. A figura 3.16 ilustra uma microscopia tpica do CA6NM em estado bruto de fuso.

Figura 3.16 - Micrografia tpica da liga CA-6NM bruto de fuso, fundido em molde de areia com resfriamento lento. Regies em preto so carbonetos de cromo (B), regies brancas so de ferrita nos contornos de gro (A) sendo que a matriz martensita de baixo carbono. Reagente Viella. 280x [2]

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3.5 Sistemas de canais de enchimento

Os sistemas de canais de enchimento so de extrema importncia para a obteno de um fundido com qualidade e com baixo refugo de produo. Os canais devem ser projetados de forma que reduzam a turbulncia da frente de avano do metal lquido, evitem a aspirao de gases, no sofram eroso significativa durante o vazamento, promovam um tempo de vazamento adequado e levem em considerao os gradientes trmicos necessrios durante o vazamento. Devem tambm minimizar a influncia de fatores externos e do operador no resultado final. [6] Estudos feitos por Monroe et al [37] descrevem outras consideraes de projeto de moldes de fundio especficas para a FEP como: assegurar que no haja danos ao modelo de EPS durante o vazamento, permitir que o preenchimento ocorra num tempo compatvel com a decomposio e a sada dos gases da decomposio, seja de configurao geomtrica espacial que, no momento da vibrao da areia, no ocorra inclinao ou distoro do modelo. O processo de Fundio por Espuma Perdida difere dos processos convencionais de fundio por possuir EPS dentro do molde no momento do vazamento do metal lquido. O preenchimento do molde ocorre de forma mais complexa por causa dos seguintes fatores: [38] - efeito de resfriamento devido queda de temperatura que ocorre com a decomposio endotrmica e anaerbica do EPS no interior do molde. - efeito amortecedor causado pela presena do EPS dentro do molde que atua retardando o avano do metal lquido. - efeito de contra-presso causado pela liberao de gases provenientes da decomposio que atua de forma contrria presso metalosttica. O fato de haver um material polimrico dentro do molde faz com que seja necessrio analisar a validade de se utilizar para o processo de espuma perdida os mesmos clculos de dimensionamento utilizados na fundio convencional. O questionamento natural j que em um processo o interior do molde est vazio porm, no outro, h o EPS.

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Estudos feitos por PAN et al [38] e MARTINS [6] indicam que para ligas densas como o ao ou o ferro fundido pode-se dimensionar os canais utilizandose a metodologia do processo tradicional (molde vazio) e assim obter resultados satisfatrios de fundio com o processo de espuma perdida, enquanto que para o alumnio ou ligas leves os conceitos de mecnica dos fludos tornam-se mais relevantes do que o mtodo de dimensionamento de canais usados na fundio de molde vazio.

3.5.1 Caractersticas dos canais de enchimento

O conceito Mdulo pode ser entendido como a relao entre o volume e a rea superficial de uma pea. Desta forma, quanto maior o Mdulo de uma pea aquecida, mais tempo ela vai levar para resfriar por causa da maior relao entre a massa aquecida e a superfcie onde ocorre a troca de calor. [6, 39] Este conceito empregado no dimensionamento dos moldes de fundio. De forma geral a pea dever ter um Mdulo menor do que o massalote e os canais que esto conectados a ela. Assim, no momento da contrao devido ao resfriamento, a pea alimentada com metal lquido evitando o aparecimento de vazios ou rechupes em seu interior. [39] Os canais de enchimento podem ser divididos em trs partes: canal de descida, canal de distribuio e canal de ataque. Alm disso, pode apresentar, tambm, a bacia de vazamento e o massalote. Vide figura 3.17.

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Figura 3.17 Canais de enchimento [6]

Os canais de enchimento podem ser classificados em dois tipos. Os despressurizados, onde existe uma constrio (menor rea da seco) no canal de descida ou os pressurizados, onde a constrio se localiza no canal de ataque. Canais despressurizados so mais indicados para ligas com alta tendncia oxidao devido menor velocidade de fluxo porm, existe um risco maior de preenchimento incompleto da pea. Canais pressurizados so usados em ligas com menor tendncia oxidao onde priorizado o enchimento rpido e o rendimento metlico. [6]

3.6 Variveis do processo

A presena de espuma dentro do molde no momento do vazamento torna o processo de FEP mais complexo do que os processos convencionais de molde vazio. Isto se deve ao maior nmero de variveis que devem ser controladas no processo. [2]

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3.6.1 Variveis da fase branca e marrom

Estima-se que 80-90% da qualidade da pea fundida seja resultado dos controles de processo realizados na fase branca. Entre eles: expanso das prolas, qualidade da moldagem, envelhecimento, teor residual de pentano, recobrimento e secagem do refratrio. [40] Todas estas variveis influem na qualidade final do fundido. A tabela 3.8 ilustra as variveis de processo na fase branca e marrom.Tabela 3.8 Fases branca e marrom

Percebe-se que a fase branca, inexistente nos processos de molde vazio, requer que inmeras variveis devam ser controladas para que se tenha reprodutibilidade na obteno de peas fundidas.

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3.6.2 Efeitos das variveis de processo na fundio

Wang et al [41] analisaram o efeito da variao da temperatura de vazamento (1315, 1370, 1430C), da camada refratria (alumina e slica), do material constituinte da espuma polimrica (EPS e PMMA) e da rea de canal de ataque no tempo de preenchimento na fundio de ferro fundido. Atravs do tratamento estatstico dos dados obtidos chegou-se concluso de que, isoladamente, a varivel que tem maior influncia no tempo de preenchimento o material constituinte da espuma polimrica, seguido do tipo de material da camada refratria, da temperatura de vazamento e da rea do canal de ataque. H outros exemplos na literatura [5, 6] que citam que o fator dominante no tempo de preenchimento da FEP a decomposio/eliminao da espuma polimrica e no a razo dos canais de enchimento como na fundio tradicional. Liu et al [30] avaliaram a influncia da presso metalosttica e da permeabilidade da camada refratria no tempo de enchimento do molde. Com camadas refratrias de alta permeabilidade foi observado que o aumento da temperatura de vazamento causou diminuio do tempo de preenchimento. Comportamento similar foi observado quando utilizada uma camada refratria de baixa permeabilidade, porm, somente at 1200C. Vazamentos acima desta temperatura levaram mais tempo para serem preenchidos. Tal fato pode ser explicado pelo efeito da contra-presso causado pela decomposio do EPS, que age aumentando a extenso da camada gasosa e diminuindo o aporte trmico do metal liquido para o EPS. No caso da camada de baixa permeabilidade a expulso dos gases foi o fator limitante durante a fundio, condio no observada no molde de alta permeabilidade. Uma maneira de aumentar a taxa de expulso dos gases aumentando a presso metalosttica, j que esta compensa o efeito da contra-presso e causa a diminuio do tempo de preenchimento do molde de baixa e de alta permeabilidade. Investigaes feitas por PAN et al [38] exploraram a variao do tempo de preenchimento utilizando-se a fundio por espuma perdida quando modificadas a rea da seco e a altura do canal de descida. Os vazamentos foram feitos

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com ferro fundido a uma temperatura de 1400C. Os moldes eram constitudos de EPS comum de densidade 30 kg/m3 e recobertos com lama refratria a base de slica que forma que a espessura do revestimento obtido foi de 0,2 mm. A areia utilizada para abranger o molde era de granulao AFS 46. A figura 3.18 ilustra com linhas isocronolgicas o tempo de preenchimento de trs moldes em que se variou a rea do canal de descida para investigar o impacto nos tempos de preenchimentos da placa superior (tu) e da inferior (tl). Os nmeros seqenciais dentro e ao lado ao lado do molde indicam o tempo (em segundos) que a frente de metal lquido levou para atingir cada regio.

Figura 3.18 Variao do tempo de preenchimento (em segundos) com a variao da rea do canal de descida. Altura total do canal de descida de 20 cm [38]

O tempo de preenchimento das placas superiores e inferiores afetado pela variao da rea do canal de descida como indicado pela figura 3.18. Os resultados indicam que para o canal de descida 3x3 cm2, o lquido inicia o preenchimento das duas placas em um tempo inferior ao observado nas outras duas configuraes analisadas. [38] A variao do calibre do canal de descida influencia o tempo de preenchimento pela combinao dos seguintes efeitos: O fluxo total de metal lquido, a resistncia ao fluxo devido ao atrito com as paredes, a queda de temperatura devido decomposio endotrmica do EPS e a contra-presso devido aos gases de decomposio.[38] Na medida em que se diminui a rea do canal de descida, o fluxo de metal se torna pequeno e o atrito do metal com as paredes se torna alto diminuindo a velocidade da frente de metal lquido. Quando se aumenta a rea do canal de

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descida, se tornam dominantes dois fatores: a queda da temperatura da frente de metal lquido devido grande quantidade de EPS que deve ser decomposto, ocasionando diminuio da fluidez do metal; o aumento da quantidade de gases de decomposio (o que aumenta a contra-presso) e a resistncia ao avano da frente de metal lquido. [38] Desta forma pode-se ver que existe um valor de rea da seco do canal de descida em que o somatrio dos fenmenos associados ao preenchimento do molde ir produzir o menor tempo de vazamento. Porm, no possvel estabelecer uma regra geral j que para cada configurao de molde a contribuio de cada um dos fatores associados ser diferente. A figura 3.19 ilustra com linhas isocronolgicas a variao do tempo de preenchimento do ferro fundido em funo de diferentes alturas do canal de alimentao. Pode-se ver quanto tempo a frente de metal lquido levou para atingir cada regio delimitada do molde atravs dos nmeros escritos em cada uma das regies.

Figura 3.19 - Variao do tempo de preenchimento com a variao da altura do canal de descida. Altura total do canal de descida de 20 cm. O canal de descida utilizado tem seco transversal de 2x2 cm2. [38]

Pode-se notar que nos trs casos, a placa inferior comeou a ser preenchida antes da placa superior devido maior presso metalosttica que, neste caso, foi predominante no tempo de preenchimento.

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Percebe-se que as caractersticas do preenchimento do molde pelo metal so dependentes da interao de um conjunto de fatores e por isso no se pode prever o comportamento da fundio quando analisados separadamente. Os modelos numricos computacionais que descrevem a FEP no levam em considerao toda a fsica e qumica necessrias para simular o processo de fundio como, por exemplo, a cintica de degradao da espuma. Desta forma, no podem prever o comportamento do processo em face de uma gama de condies diferentes [17].

3.7 A interao do refratrio espuma metal

Desde o incio da FEP vrios modelos tericos foram propostos na tentativa de melhor entender a dinmica da degradao da espuma polimrica dentro do molde, da expulso dos produtos da decomposio e da ocorrncia de defeitos de fundio.

3.7.1 Modelo da decomposio da espuma de Askeland et al.

O primeiro modelo terico a descrever a dinmica da fundio por espuma perdida foi o proposto por Askeland et al [16, 17] baseando-se em informaes coletadas por termopares e sondas durante a fundio. Foi proposta a existncia de uma zona de degradao entre a frente de metal lquido (que est avanando) e o EPS que ainda no foi colapsado (ver figura 3.20). Nesta zona, chamada pelos autores de zona cintica, ocorre a degradao do EPS em gs e lquido. A fase gasosa , ento, expulsa para a areia atravs desta zona cintica e a fase lquida permanece adsorvida no interior da camada refratria at que a temperatura local atinja 350C quando, ento, se decompe e expelida aps a frente de metal lquido j ter avanado por aquela regio.

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Figura 3.20 - Modelo fsico da decomposio da espuma de Askeland et al. [17]

O modelo proposto por Askeland et al apresentava uma falha conceitual. Quando calculado o tamanho da zona cintica necessrio para expulsar todo o volume de fase gasosa gerado na decomposio nas velocidades tpicas de avano da frente de metal lquido, percebeu-se que esta zona cintica devia ser extensa em demasia, a ponto de no permitir o aporte trmico necessrio para decompor o EPS por causa da distncia entre o metal lquido irradiante e o EPS no colapsado. [40] 3.7.2 Modelo da decomposio da espuma de Zhao et al.

O modelo de Zhao et al [16, 42] diverge do modelo de Askeland et al pois sugere que nunca existe contato entre o metal lquido e o poliestireno lquido. Como a temperatura de ebulio do poliestireno muito menor do que a temperatura do metal lquido, sempre existir uma camada gasosa presente entre o metal lquido e o poliestireno lquido ainda no decomposto em gs. Foi proposto que o calor irradiante do metal lquido na zona cintica faz com que as prolas de EPS coalesam e formem glbulos de poliestireno que ficam aderidos na superfcie interior da camada refratria, porm sem penetr-la, obstruindo a passagem dos gases e assim diminuindo sua permeabilidade. Os gases gerados criam uma presso contrria presso metalosttica causando o aumentando da extenso da fase gasosa que separa o metal lquido do EPS

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no fundido. O equilbrio entre a presso metalosttica e a presso dos gases da zona cintica ser o fator determinante no tempo de preenchimento do molde. Aps a frente de metal lquido ter avanado, os glbulos de poliestireno aderidos na superfcie interna do refratrio ficam envoltos pelo metal lquido. Na interface destes glbulos com o metal lquido ocorre a vaporizao imediata de parte do poliestireno. A isolao trmica fornecida por esta camada gasosa mantm os glbulos em temperaturas relativamente baixas, mesmo estando envolvidos pelo metal lquido. Com o calor, os glbulos vo diminuindo de tamanho e expondo progressivamente a camada refratria de modo que a permeabilidade desta camada volta a aumentar. Os produtos gasosos podem ento ser expelidos por estas regies atrs da frente de metal lquido. Quanto mais montante da frente de metal lquido, maior a permeabilidade da camada refratria e quanto mais jusante, menor ela por estar encoberta por glbulos de poliestireno.

Figura 3.21 Modelo proposto por ZHAO et al [42]

Vrias experincias corroboravam este modelo proposto. Foi observado que a aplicao de spray de silicone na regio de uma pea onde normalmente apareciam defeitos superficiais foi efetiva na eliminao destes defeitos [17, 42]. Foi sugerido que o silicone inibiu a fixao dos glbulos de poliestireno naquela regio eliminando localmente o defeito.

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O modelo inicial, proposto por Askeland et al

assumia que durante a

decomposio do EPS ocorria o encharcamento da camada refratria pelo poliestireno liquefeito e que este se decompunha em gs no interior desta camada pela ao do calor. A figura 3.22 valida o modelo proposto por Zhao et al e invalida o de Askeland et al. Pode-se ver que o poliestireno liquefeito forma uma camada seladora na parte interna da camada refratria, porm, sem infiltrla. Como a regio mais fria dessa camada seladora aquela aderida ao refratrio, esta a aquela que possui a maior viscosidade. Devido baixa condutividade trmica do poliestireno, esperado que a temperatura do poliestireno na interface refratrio/camada seladora seja pequena e, portanto, com viscosidade muito alta para permitir a infiltrao do poliestireno para o interior da camada refratria [17, 42]. Os resduos de poliestireno encontrados no interior da camada refratria (figura 3.22b e 3.22c) so oriundos da condensao do poliestireno gasoso que estava sendo expelido no momento que o metal lquido (alumnio) foi retirado de dentro molde atravs de vcuo, como planejado pelos idealizadores do trabalho referenciado pela figura. Se o vazamento no tivesse sido interrompido, a fase gasosa teria sido expelida completamente e no teria sido possvel observar os resduos de poliestireno no interior da camada refratria.

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Figura 3.22 Camada de EPS observada na superfcie interna da camada refratria de um vazamento interrompido aps 4 segundos. Percebe-se que no interior do refratrio h resduos de poliestireno [42]

Apesar de ter sido aplicado com sucesso na soluo de muitos problemas de fundio, o modelo proposto por ZHAO et al era incapaz, no entanto, de explicar o porqu, de tempos em tempos, ocorriam lotes de produo com altos ndices de rejeio. Percebeu-se que esses perodos em que ocorriam muitas peas defeituosas estavam relacionados com a utilizao de novos lotes de modelos de EPS e no com qualquer variao ocorrida na camada refratria ou qualquer outro fator. Este fato indicava que havia outro parmetro, ainda no identificado, afetando o preenchimento das peas. [16]

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3.7.3 Modelo da decomposio da espuma de Molibog et al.

Experincias feitas por Molibog et al [16] com a utilizao de radiografia em tempo real demonstraram que modelos de EPS com baixo ndice de fuso das prolas apresentam frentes de metal lquido de velocidade maior do que as observadas em EPS com alto ndice de fuso. Claramente foi observado que o grau de fuso das prolas tem influncia determinante no tempo de preenchimento das peas. Foi constatado que os gargalos do preenchimento no so dependentes unicamente das caractersticas da camada refratria, como proposto anteriormente. O modelo proposto por Molibog et al (figura 3.23) complementa o modelo de Zhao et al e sugere que a fase gasosa proveniente da decomposio do EPS pode ser expelida por outra via alm da zona cintica e da regio que no est bloqueada pelo poliestireno lquido. Foi proposto que esta fase gasosa tem a propriedade de furar a camada lquida de EPS colapsado e penetrar pelo EPS e pela camada refratria frente da zona cintica. Desta forma a permeabilidade do EPS utilizado contribui na extrao dos gases da decomposio. [42]. Este modelo foi importante por alertar para a necessidade do rigoroso controle das propriedades no apenas da camada refratria, mas tambm do EPS usado nos modelos.

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Figura 3.23 Gases da decomposio ultrapassam o EPS frente da frente de metal lquido. [16]

3.7.4 Implicaes para a formao de defeitos

Durante o vazamento essencial que uma rea da camada refratria esteja efetivamente exposta passagem dos gases da decomposio da espuma para aliviar a contra-presso e permitir o avano da frente de metal lquido. Se a rea exposta for muito pequena ou se a permeabilidade da camada refratria for reduzida, os gases so removidos de maneira lenta, a frente de metal lquido avana devagar e o metal pode solidificar antes de preencher todo o molde. [17, 43] Atravs do aumento da temperatura de vazamento para maximizar a formao da fase gasosa ou da utilizao de camadas refratrias de alta permeabilidade pode-se aumentar a taxa de expulso dos gases atravs do refratrio e, conseqentemente, obter altas velocidades de avano da frente de metal lquido [43]. Por outro lado, altas taxas de preenchimento fazem com que uma quantidade maior de polmero lquido (no vaporizado) fique aderido na camada interna do refratrio e seja envolvido pelo metal liquefeito aps a passagem da frente de metal lquido [16]. Esses resduos aprisionados podem

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originar defeitos de fundio se o metal solidificar antes de haver a expulso completa destes resduos. O amadurecimento dos processos de FEP e a experincia obtida fizeram com que a indstria abandonasse o uso de revestimentos refratrios de alta permeabilidade, pois percebeu-se que estes eram mais propensos formao de defeitos. A condio tima em relao mitigao dos defeitos de fundio aquela em que a espuma utilizada de PMMA de baixa densidade, o vazamento realizado com superaquecimento elevado e empregado um refratrio de permeabilidade mediana. Nestas condies consegue-se obter peas em alumnio livres dos defeitos especficos da FEP. [9] Por outro lado, uma maior temperatura de vazamento incorre em maior gasto de energia, e uma baixa permeabilidade do refratrio gera tempos longos de enchimento, ambos indesejveis no processo fabril. No tocante ao PMMA, este tende a ser usado somente quando estritamente necessrio, por ser muito mais caro que o EPS. Fica claro que a sada para conciliar as variveis tcnicas do processo com as exigncias financeiras de uma indstria de fundio o desenvolvimento tecnolgico do processo e a compreenso da cincia que o rege.

3.8 Defeitos de fundio caractersticos da Espuma Perdida

Os defeitos mais comuns observados na FEP so as dobras, os blisters, o carbono lustroso e as porosidades. As dobras e blisters so mais comuns em fundies de alumnio devido menor temperatura do metal lquido. porosidades podem aparecer em ambos indistintamente [9, 10]. Na literatura h muita divergncia sobre a natureza destes defeitos. H autores que consideram que o carbono lustroso responsvel apenas por defeitos superficiais, e tratam as dobras e os blister como defeitos no relacionados ao carbono lustroso [6, 19]. Outros autores consideram que os defeitos da FEP so causados por dois tipos de resduos, os completamente pirolisados (carbono e grafite) e os que no foram completamente pirolisados (polmeros de baixo peso molecular). Assim sendo, este segundo grupo de J o carbono lustroso mais comum em fundies de ao e ferro fundido. As

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autores atribui ao carbono lustroso todos os defeitos causados por resduos completamente pirolisados (internos ou superficiais) e aos resduos no pirolisados por completo atribuem os blisters e dobras [9, 10]. Na fundio de ligas ferrosas, devido maior temperatura de fuso, no restam resduos parcialmente pirolisados, h energia suficiente para a decomposio completa. [25] Neste caso todos os defeitos de fundio especficos da FEP so causados pela presena do carbono ou do grafite, fase esta denominada de carbono lustroso. Portanto, a presena do carbono se manifesta na forma do aparecimento de vrios defeitos de fundio, inclusive blisters, dobras, superfcies irregulares. Neste trabalho adotou-se a segunda definio, todos os defeitos que aparecem na fundio de ferrosos so causados pelo carbono lustroso.

3.8.1 O defeito de dobra

A dobra um filme de pequena espessura constitudo de carbono e de xidos [44]. Este tipo de defeito geralmente encontrado onde ocorreu o encontro de duas frentes de metal lquido, mas podem ser achadas, tambm, em locais aleatrios da pea. Fatores que aumentam a ocorrncia de dobras so: baixa temperatura de vazamento, metal de fcil oxidao, baixa qualidade da espuma, preenchimento turbulento do molde. [9, 44] Estudos feitos por Tschopp et al [44] constataram que a dobra pode ser de dois tipos, as que se formaram devido ao aprisionamento de produtos da pirlise da espuma e aquelas que se formam devido formao de um filme de xido metlico, este ltimo mais comum em ligas com alta tendncia oxidao como o alumnio. A figura 3.24 exibe uma dobra em uma liga de alumnio. Pode-se ver que a dobra se forma no constituinte euttico pois arrastado para a regio interdendrtica durante os ltimos momentos da solidificao pelo crescimento da dendrita. [44]

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Figura 3.24 Micrografia de uma dobra em liga Al-356. [44]

O primeiro mecanismo de formao das dobras se d pelo aprisionamento de produtos da pirlise. A figura 3.25 ilustra este mecanismo de formao.

Figura 3.25 Mecanismo de formao das dobras [44]

Inicialmente ocorre o aprisionamento de resduos lquidos/gasosos pela frente de metal lquido. Na medida que a temperatura local vai baixando, ao atingir a temperatura liquidus, comeam a crescer dendritas. Os produtos da pirlise comeam a se concentrar na regio interdendrtica que ainda no se solidificou. Como o espao interdendrtico vai diminuindo com a diminuio da

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temperatura e, devido tendncia dos resduos aflorarem camada refratria devido presso do metal lquido, ocorre o achatamento dos resduos em direo camada refratria [44]. O segundo mecanismo de formao das dobras consiste no acmulo de xido metlico pela frente de metal lquido. Dependendo das caractersticas desta frente de metal em termos de turbulncia e uniformidade, pode haver a fixao deste filme de xidos em uma regio especfica (causando um defeito) ou o espalhamento dos xidos no metal de forma no concentrada, evitando o aparecimento do defeito. [44]

3.8.2 O defeito de blister

A figura 3.26 ilustra a formao de um blister. Inicialmente ocorre o aprisionamento de resduos lquidos/gasosos pela frente de metal lquido. Os resduos tendem a entrar em contato com a camada refratria devido presso do metal lquido. Porm, devido menor temperatura na interface metal/refratrio, j ocorreu nesta regio a solidificao de um fina camada de metal. Se houver presso suficiente para romper essa camada, a fase gasosa ir ser expelida atravs do refratrio e os resduos no-gasosos ficaro concentrados prximos superfcie formando um defeito local. Caso contrrio haver a formao de uma bolha subsuperficial. [44]

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Figura 3.26 Mecanismo de formao de blister [44]

3.8.3 O carbono lustroso

O carbono lustroso pode se manifestar de diversas formas. Pode se apresentar como uma superfcie rugosa, uma regio da pea com superfcie escura e brilhante, uma dobra, um blister ou furos em sees da pea [9, 10, 45]. Vide figura 3.27. O carbono lustroso no exclusivo da FEP e comum ser observado em peas fundidas em molde de areia ligada com resina de cura a frio. Nestes casos, pela ao do calor, o ligante se decompe e libera carbono que pode se acumular e formar um defeito.

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Figura 3.27 - Exemplos de Carbono lustroso [45]

Ao EPS se decompor pela ao do calor h a produo de um gs rico em hidrocarbonetos que, depois de formado, se condensa na forma de um filme de grafite nas interfaces do interior do molde. Estes filmes podem aumentar de espessura se no forem oxidados ou dissolvidos pelo metal lquido [45]. Se no forem deslocados da superfcie pelo fluxo de metal podem gerar um aspecto rugoso superficial ou at mesmo, no caso desta camada ser formada com pequena espessura, um acabamento superficial liso, regular e brilhante [45]. Em moldes cujo desenho dos canais levem grande turbulncia de preenchimento, pode ocorrer o descolamento do carbono lustroso das paredes internas do molde. Este carbono lustroso , ento, acumulado e arrastado pela frente de metal lquido e pode gerar dobras ao evitar a fuso desta frente de metal lquido com outra frente que venha a encontrar [45]. A figura 3.28 ilustra o acmulo de carbono lustroso sendo arrastado por uma frente de metal lquido.

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Figura 3.28 Acmulo de carbono lustroso na frente de metal lquido [45]

De forma geral o carbono lustroso diminudo e at eliminado com o aumento da temperatura de vazamento. [9, 45] Segundo Naro [45], isto se deve maior taxa de oxidao dos resduos de carbono com o aumento da temperatura.

3.8.4 O pick-up de carbono

O aumento do teor de carbono das ligas devido absoro dos produtos da decomposio da espuma denominado, tecnicamente, de pick-up de carbono. Isso se d pela difuso dos tomos de carbono para a liga devido ao gradiente de teor de carbono presente entre a atmosfera no interior do molde e a frente de metal lquido. [20] Existem quatro fatores que influem na difuso do carbono para o fundido: a temperatura do metal lquido, o teor de carbono e oxignio da espuma, o teor original de carbono da liga e o tempo de exposio do metal lquido atmosfera rica em carbono. [20] Segundo Picoli [20] no encontrada na literatura uma regra geral que descreva a relao entre os parmetros de processo e a variao do carbono na liga. H, contudo, uma tendncia de aumento do pick-up do carbono com o aumento da temperatura de vazamento. O teor de carbono na atmosfera dentro do molde depende do equilbrio entre a taxa de gerao de gases de decomposio com a taxa de deposio de grafite nas interfaces do molde e a taxa com que os gases so expelidos

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atravs da camada refratria. O fato do EPS causar maior pick-up de carbono do que o PMMA pode ser explicado pelo maior tempo com que os produtos carbonceos ficam dispersos na atmosfera antes de serem decompostos em carbono slido (na forma de grafite) devido maior dificuldade cintica de se decompor o anel aromtico do poliestireno quando comparado com o PMMA.

3.9 A utilizao de aos com a FEP

Pathak et al [9] descrevem variaes na fundio por espuma perdida para a obteno de peas de ao sem incorrer no pick-up de carbono. A primeira variao consiste na remoo da espuma de dentro do molde antes do vazamento. Para isso usa-se areia com ligantes para que esta no desmorone. A segunda variao consiste em recobrir o modelo em espuma com uma espessa camada refratria que, a ser queimada para que se obtenha a sinterizao do refratrio, faz com que a espuma se decomponha. Porm, ambas as alternativas propostas no so, a rigor, caracterizadas como fundio por espuma perdida. A patente US5,429,172 [46] obtida em 1994 descreve um mtodo de FEP que possibilita a obteno de peas de ao baixo carbono com incremento de carbono da liga inferior a 0,03%. Para isso utiliza-se como espuma o PMMA, vcuo de 10 a 14 psi e temperatura de vazame