[Processos de Fundição] Aula 07 - Fusão e Vazamento

[Processos de Fundição] Aula 07 - Fusão e Vazamento

(Parte 1 de 2)

Prof. BrennoFerreira de Souza –Engenheiro Metalúrgico

Processos de Fundição

Modelagem; Moldagem;

Macharia (se necessário);

Fusão;

Vazamento;

Solidificação;

Desmoldagem;

Acabamento (rebarbaçãoe limpeza).

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Processos de Fundição

Modelagem (Aula 02) Moldagem (Aulas 03 e 04)

Macharia(Aulas 02, 03 e 04)

Fusão (Aula 06 e 07);

Vazamento (Aula 07);

Solidificação (aula 07);

Desmoldagem;

Acabamento (rebarbaçãoe limpeza).

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Fusão

O ponto de fusão (PF) é a respectiva temperatura em que o material passa de um estado físico para outro estado físico, no caso, do estado físico sólido para o estado físico líquido.

Cada elemento puro possui o seu respectivo ponto de fusão.

Quando ligado com outros elementos químicos, no intuito de formar ligas metálicas, este ponto de fusão pode sofrer pequenas variações.

Alguns elementos químicos apresentam uma peculiariedade em especial, seus pontos de fusão estão muito próximos a temperatura ambiente, ou seja, eles podem se derreter (ou se fundir) a baixas temperatura.

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Fusão

Outros elementos como o Mercúrio (Hg) e o Bromo (Br), já estão líquidos em temperatura ambiente.

Os demais elementos metálicos necessitam de maior temperatura para mudar de estado físico.

Estes já são mais conhecidos, tais como o Ferro, o

Alumínio, a Prata, o Ouro, dentre tantos outros exemplos.

O Carbono, por exemplo, é um elemento que necessita de elevadíssima temperatura, acima de 3.700°C.

Prof. BrennoFerreira de Souza –Engenheiro Metalúrgico Pontos de Fusão

Prof. BrennoFerreira de Souza –Engenheiro Metalúrgico Pontos de Fusão

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Fusão do Metal

Evento onde o metal se transforma do estado sólido para o estado líquido, visando seu vazamento em moldes com o formato adequado da peça final.

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Fusão do Metal

Algumas considerações devem ser feitas a quanto a fundição do metal:

• Oxidação parcial do metal com a atmosfera durante a fusão do material gera perdas;

• Possível reação do metal líquido com o cadinho refratário ou metálico;

• Dissolução de gases;

• Escória: de refino ou protetora;

• Fluidez: facilidade do material em preencher o molde.

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Perdas por Oxidação

Perdas por escumagem(remoção da escória);

•Por ação de agentes desoxidantes, as impurezas se concentram na escória, que é removida antes do vazamento.

Penetração e contaminação do cadinho;

•Infiltração e reação de óxidos e outros elementos no material refratário.

•Metal líquido projetado para fora da panela, que em contato com atmosfera oxida.

Volatilização de um ou mais elementos da liga. •Elementos que oxidam após se volatilizarem.

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Rendimento Metálico

O rendimento metálico na fusão é dado pela seguinte relação:

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Rendimento Metálico

O rendimento metálico de fusão depende de diversas variáveis:

•Quanto maior a presença de elementos oxidantes na liga Menor o f ; •Quanto menores as dimensões do material carregado Menor o f •Tipo do forno.

•Revérberos a combustível, gás de combustão entrando em contato com o carregamento Menor f ; •Fornos de indução perdas mínimas.

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Rendimento Metálico

O rendimento metálico de fusão depende de diversas variáveis:

•Quanto maior a presença de elementos oxidantes na liga Menor o f ; •Quanto menores as dimensões do material carregado Menor o f •Tipo do forno.

•Revérberos a combustível, gás de combustão entrando em contato com o carregamento Menor f ; •Fornos de indução perdas mínimas.

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Inibição da Oxidação

A oxidação pode ser inibida ou diminuída através de:

• Controle de Atmosfera: Criar atmosfera inerte ou protetora (He, Ar), ou redutoras (Hidrocarbonetos gasosos, hidrogênio e CO);

• Emprego de escórias protetoras (Sílica, Borax,

Misturas salinas complexas): protegem o metal líquido da atmosfera;

• Adição de elementos (às vezes em teores mínimos): o elemento oxida mais facilmente ou gera um óxido de maior estabilidade, protegendo o restante do metal.

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Gases em Metais Líquidos

Os metais líquidos dissolvem consideráveis volumes de gás durante as operações de fusão

Os gases dissolvidos no meio do líquido devem ser removidos antes da solidificação sob pena de ocorrência de defeitos tipo

“bolhas de gás” devido as diferentes solubilidades destes gases no líquido e no sólido.

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Gases em Metais Líquidos

A dissolução dos gases se torna um problema quando a quantidade de gases no metal líquido excede a que pode ser retida em solução sólida.

A concentração de gases no líquido remanescente aumenta com o progresso da solidificação e, em certo ponto, nucleiam-se e crescem bolhas gasosas.

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Gases em Metais Líquidos

A dissolução de um gás em um metal pode ser indicada por uma expressão do seguinte tipo:

M( l ) + H2(g)+ ⇔2H

A molécula H2(g)de gás hidrogênio se dissocia em contato com o metal, entrando em solução como hidrogênio atômico → H

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Gases em Metais Líquidos

Para o Sistema Al(l) e O2(g) o produto da reação é um composto sólido (s):

Al(l)+ O2 (g)→ Al2O3(s)

O2 não se dissolve no Al(l) e forma um filme de óxido inerte na interface metal-gás.

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Gases em Metais Líquidos

Eliminação dos gases:

• Tratamentos para remoção do Oxigênio • Tratamentos para remoção de Hidrogênio

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Remoção de Hidrogênio

Prática mais comum de desgaseificação;

Borbulhamento de um gás inerte no metal líquido.

•Cloro •Nitrogênio no caso das ligas de Al

O gás inerte ao se deslocar no interior do líquido tende a arrastar consigo o H atômico dissolvido neste líquido, ocorrendo então a desgaseificação do metal líquido.

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Remoção do Oxigênio

A solubilidade do oxigênio nos metais difere da do hidrogênio principalmente pela grande tendência do oxigênio de formar compostos estáveis com os metais.

• Compostos insolúveis nos metais líquidos nas temperaturas normais de fusão ⇒ a desoxidação se torna desnecessária, como nos casos do Al, Mg, Sn, Pb, Cd, Zn e respectivas ligas.

• Metais que dissolvem oxigênio(Cu, Ni e Fe) ⇒ a solubilidade do oxigênio em relação à atmosfera dos fornos pode ser tratada de mesma maneira que com o hidrogênio

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Remoção do Oxigênio

Desoxidação pela Aplicação do Princípio da Estabilidade Relativa dos Óxidos:

• Ma = metal líquido solvente contendo oxigênio em solução

• Mb = elemento soluto adicionado

Se o óxido MbO mais estável que o óxido MaO:

• Mb é considerado um desoxidante satisfatório para o metal Ma se forem obedecidas outras condições adicionais.

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Remoção do Oxigênio

Condições para que uma Metal B seja um desoxidante efetivo do Metal A:

• O produto de desoxidação (óxido MbO) deve separar-se facilmente do metal líquido.

• As propriedades do metal Ma não devem ser afetadas substancialmente por qualquer resíduo de Mb que permaneça em solução.

• A quantidade de oxigênio residual em solução não deve ter efeito significativo nas propriedades da liga fundida.

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Remoção do Oxigênio

A reação de desoxidação pode ser representada pela equação:

Mb(l)+ O2 (g)→ MbO onde Mb e O estão em solução em Ma , e MbO é um óxido sólido, líquido ou gasoso.

Exemplo : Desoxidação de Aços

• Ma = Ferro Líquido • Mb = Al, Si ou Mn

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Fluidez

A capacidade de o metal líquido preencher as cavidades do molde antes da solidificação é chamada de fluidez.

A fluidez vai depender das características do metal e dos parâmetros de fundição.

Casos Críticos:

• peças que apresentam paredes muito finas;

• o fluxo de metal líquido precisa percorrer distâncias muito grandes ⇒ grandes perdas de carga e de temperatura.

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Fluidez

Variáveis do metal:

• Viscosidade; • composição química;

•filmes superficiais de óxidos;

•teor de gás dissolvido;

•inclusões (sólidas) em suspensão;

•temperatura de vazamento.

Variáveis do processo:

•forma da peça; •forma e dimensões da bacia de vazamento;

•material do molde (poder de extração de calor);

•velocidade do vazamento;

•grau de aquecimento

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Fluidez

Variáveis do metal:

• Viscosidade; • composição química;

•filmes superficiais de óxidos;

•teor de gás dissolvido;

•inclusões (sólidas) em suspensão;

•temperatura de vazamento.

Variáveis do processo:

•forma da peça; •forma e dimensões da bacia de vazamento;

•material do molde (poder de extração de calor);

•velocidade do vazamento;

•grau de aquecimento

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Fluidez

Para medir a máxima distância de fluidez de uma liga seria necessário, em alguns casos um molde demasiadamente longo, característica esta que não torna o experimento prático.

Os moldes teriam que estar muito nivelados para não comprometer o resultado do experimento.

Assim o método mais comum para medir a fluidez de uma liga é o que utiliza um molde cujo canal é uma espiral, tornando o molde muito mais compacto e muito menos sujeito ao desnivelamento.

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Fluidez

Teste de fluidez:

• O índice de fluidez é medido pela distância que o metal líquido consegue chegar sem se solidificar.

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Fluidez

Modelo esquemático para ensaio de fluidez.

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Tensão Superficial

A tensão superficial é um efeito que ocorre na camada superficial do metal líquido, e faz com que a superfície se comporte como uma membrana elástica.

Os átomos situados no interior do líquido são atraídos em todas as direções pelos átomos vizinhos, e por isso, a resultante das forças atuantes é praticamente nula.

Os átomos da superfície do líquido, entretanto sofrem apenas atração lateral e inferior, esta força para o lado e para baixo cria a tensão na superfície.

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Tensão Superficial

A contra pressão resultante da tensão superficial aumenta em seções finas, alguns elementos como Li, Bi, Pb, Mg, Sb, Ca e Sn, reduzem significativamente a tensão superficial no alumínio fundido.

Contudo o efeito da tensão superficial é ocultado pela influência dos filmes de óxido superficiais nas ligas de alumínio.

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Tensão Superficial

Influência de elementos de liga na tensão superficial do alumínio puro.

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Filme de Óxido

Os filmes de óxido estão sólidos na temperatura de vazamento do metal podendo assim elevar significativamente a tensão superficial, consequentemente reduzindo a capacidade do metal de preencher detalhes mais finos do molde.

Estima-se que a tensão superficial aparente dos metais com filme de óxido deva ser três vezes superior a do metal sem filme de óxido.

Assim sendo a elevação da tensão superficial tem como efeito o aumento da pressão necessária para que o metal líquido escoe no interior do molde.

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Temperatura de Superaquecimento

A temperatura de superaquecimento é definida como a diferença entre a temperatura de vazamento e a temperatura líquidus.

A fluidez se eleva com o acréscimo da temperatura de superaquecimento da liga.

Quanto maior o superaquecimento, maior é a redução da viscosidade, assim a fluidez é elevada.

O superaquecimento também afeta a taxa de resfriamento, características de solidificação do metal e consequentemente a fluidez do metal líquido.

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Temperatura de Superaquecimento

Variação na temperatura de superaquecimento:

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Composição Química

Os elementos de liga afetam significativamente as ligas metálicas.

Isto ocorre porque variações na composição podem influênciar a viscosidade, tensão superficial, intervalo de solidificação e o modo de solidificação das ligas.

A fluidez do alumínio puro, por exemplo, decresce rapidamente com a diminuição da pureza do metal.

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Composição Química Transformação de fases:

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Composição Química

Influência da adição de elementos de ligas na fluidez do alumínio puro.

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Composição Química

Acréscimo ou decréscimo na fluidez do alumínio puro em função da adição de elementos de ligas.

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Composição Química

Influência da adição de cobre e silício na fluidez do alumínio puro.

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Temperatura de Vazamento

Um metal apresenta uma temperatura de fusão bem definida, isto é, ele inicia e termina o processo de solidificação em uma temperatura bem determinada.

Já as ligas apresentam uma temperatura onde se inicia o processo de solidificação e uma temperatura onde termina esse processo.

Dentro da faixa de temperaturas em que ocorre a solidificação para uma liga existe sempre uma mistura de sólido e líquido.

A temperatura de vazamento dever ser estar sempre acima da temperatura onde existem 100% de líquido (superaquecimento).

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Temperatura de Vazamento

O vazamento, no caso de ligas, dentro de uma faixa de temperaturas onde se tem sólido e líquido prejudica o preenchimento completo do molde.

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Temperatura de Vazamento

O vazamento, no caso de ligas, dentro de uma faixa de temperaturas onde se tem sólido e líquido prejudica o preenchimento completo do molde.

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O escoamento

O escoamento de metais e ligas líquidos superaquecidos é semelhante entre si e semelhante ao da água.

É importante que o sistema de canais seja projetado de forma a reduzir a turbulência.

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O escoamento

Isso pode ser quantificado pelo número de Reynolds:

Re=v.d/ν

• v é a velocidade do fluxo, • d é o diâmetro hidráulico do canal e

• ν é a viscosidade cinemática do líquido, que é dada pela viscosidade dinâmica dividida pela densidade do líquido.

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O escoamento

O fluxo apresenta diferentes regimes para cada número de Re:

• Para Re até aproximadamente 2000: O Fluxo é laminar.

apresenta uma mistura entre laminar e turbulento.

• Acima de 23000: o fluxo é severamente turbulento.

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O escoamento

Para a maioria dos casos reais o fluxo se aproxima do turbulento.

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