monografia de fundição
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UFSCar- Universidade Federal de São Carlos
Fundição
Fundição de Suporte de Motor de Aeromodelo em Molde de Areia Ligada por
Resina de Cura a Frio.
Sumário
1 Introdução.
1.1 O processo de fundição em areia. 1.1.1 Areia de cura a frio. 1.2 As ligas de Al para fundição. 1.3 O suporte de motor de aeromodelo.
2 Metodologia.
2.1 Cálculos iniciais.2.2 Simulação computacional.2.3 Procedimento realizado.
3 Resultados e discussões.
4 Conclusões.
Anexo 1: Areias utilizadas no processo de
fundição.
Anexo 2: Regeneração da areia e uso de areia
de quartzo.
Anexo 3: Liga 380.0
1 Introdução
1.1 O processo de fundição em areia
A fundição é uma técnica antiga e é a mais rápida ligação entre a engenharia
de fabricação e desenho. Ela nos proporciona a possibilidade de produzir grande
variedade de formas utilizando diversos tipos de materiais. Dentre as características
relacionadas podemos destacar as seguintes vantagens: possibilidade de utilização de
metais ferrosos e não ferrosos, baixo custo do modelo, a quase inexistência de
limitações quanto a forma, tamanho e peso da peça a ser fundida, a sua
adaptabilidade a produção em pequena e grande escala e o fato de não ocorrer perda
de material (visto que é possível utilizar sucata e retornos provenientes do corte dos
sistemas de gitagem e alimentação). Em contrapartida podemos destacar também as
desvantagens tais como baixa precisão dimensional, tolerância 1.5875 mm, e a
obtenção de peças com propriedades mecânicas inferiores à outros tipos de
processamento como laminação e forjamento, que geram propriedades mecânicas
superiores em elementos de geometrias mais simples que aquelas normalmente
fundidas.
A fundição em areia consiste basicamente em derreter o metal e colocá-lo em
uma cavidade pré-formada, chamada de molde. Terminado o processo de solidificação
podemos extrair a peça, geralmente em um formato muito próximo do final, através da
quebra do molde. Nesse processo, moldes expansíveis são utilizados. Assim, para
cada operação de fundição que você tem que formar um novo molde.
Requisitos básicos para a fundição de metal:
• A cavidade do molde
• Processo de fusão
• Técnica de derramamento
• Processo de solidificação
• Remoção da peça
• Acabamento
Dentre os processos de fabricação, a fundição se destaca por permitir a
produção de peças com grande variedade de forma e tamanhos (ex: sinos, âncoras,
tubulações, implantes ortopédicos, bloco de motor etc.); peças de extrema
responsabilidade que se destinam a indústria aeronáutica e aeroespacial (paletas de
turbina, por exemplo) e peças banais (bueiros, bancos de jardim). A produção pode
ser unitária (jóias, implantes e peças artísticas) ou em série, voltada principalmente
para as indústrias dos setores mecânico e automobilístico. É lógico que toda essa
variedade não é obtida com um único processo e sim através da seleção – dentre os
processos disponíveis – daquele que melhor se adapta às exigências do cliente e que
possibilite a produção do lote encomendado com o mínimo custo e dentro do prazo
estipulado.
O processo de fundição proporciona uma economia de peso e material, porque
viabiliza produzir muito próximo a geometria final da peça e pode-se fundir e utilizar
vários tipos diferentes de metais e ligas metálicas pelo processo de fundição.
Dentre os processos que se utilizam de areia como material refratário
granulado destinado a produção do molde é possível destacar: em areia verde e em
cascas de Shell, areia de cura a frio (processo escolhido para o presente trabalho)
areia de cura a quente, com dióxido de carbono e loast foam.
As areias verdes são compostas pela areia base, como material refratário, e
um agente aglomerante cuja função é proporcionar coesão as partículas da areia e
plasticidade ao molde em geral, que neste caso é uma argila, usualmente bentonita.
Por sua vez existem processos no qual o agente que proporciona ligação entre as
partículas é uma resina curada a frio ou a quente, dependendo das necessidades do
processo. As areias de fundição podem ser naturais, semi-sintéticas (com adições
para correção ou melhoria das propriedades naturais) e sintéticas (obtida pela mistura
dos constituintes básicos isoladamente tais como areia, aglomerantes, ligantes,
aditivos e plastificantes).
A fundição em areia é uma das técnicas de fundição mais importantes e mais
utilizadas. Para executar fundição em areia, temos de formar um padrão (um modelo
de tamanho completo da peça), ampliado para dar conta de contração e usinagem
para acabamento na peça final. Materiais usados para fazer padrões incluem madeira,
plástico, alumínio, fibra de vidro, ferro fundido e alguns outros metais. A madeira é um
material comum para modelos, pois é sua forma é trabalhada facilmente. Suas
desvantagens estão relacionadas à sua tendência de deformar e ao fato deste tipo de
padrão ser facilmente degradado por abrasão com a areia durante o processo de
compactação, limitando assim a sua vida útil (normalmente são usados para produção
de peças em pequena quantidade). Padrões de metal são possuem um custo mais
elevado devido aos processos de fabricação, mas apresentam vida útil muito maior.
Por exemplo, o alumínio é o metal mais comum a ser usado se muitas fundições
devem ser feitas pelo mesmo padrão. Então seleção do material padrão apropriado
depende, em grande medida, da quantidade total de peças a serem produzidas. O
tamanho do modelo depende da contração durante o resfriamento e da necessidade
de acabamento, sendo possível a utilização de alguns revestimentos especiais no
molde com o intuito de melhorar o acabamento da peça após o processo de fundição,
facilitando e diminuindo o custo da etapa de acabamento. Os modelos também podem
ser identificados com cores sobre eles, cada uma das quais tem um significado
diferente, que representam diferentes tratamentos e os requisitos dos modelos. A
codificação de cores para os modelos de fundição em areia é a seguinte:
Vermelho
:
indica que a superfície do material deve ser deixada como está após a
fundição.
Preto: indica que a de machos e mostra a posição onde eles devem ficar.
Amarelo: indica que a superfície necessita de usinagem.
Figura 1 – Projeto e Confecção de Modelos.
Em posse do modelo, a confecção do molde de areia se inicia com a
compactação manual ou mecânica da mistura refratária com o agente aglomerante, ou
ligante, chamada de areia de fundição, sobre o modelo, ou parte dele, previamente
coberto com talco ou grafite, a fim de evitar aderência da areia em uma caixa de
moldar, como exposto na Figura 2.
Figura 2 – Compactação da Areia de Fundição
Essa caixa então é virada de forma que o modelo fique para cima, como
exposto na Figura 3.
Figura 3 – Caixa de Moldar Rotacionada.
Outra caixa de moldar, chamada de caixa-tampa, é então posta sobre a
primeira. Nesta são disposta o massalote e o canal de descida como descrito no
projeto. Então se enche a caixa com areia que é socada até que a caixa fique
completamente cheia, uma vez que o molde adquiriu resistência mecânica, através da
cura da resina ou compactação da areia verde, os corpos utilizados para produzir os
massalotes e o canal de descida são retirados da caixa, como exposto na Figura 4.
Figura 4 – Confecção da Caixa-tampa.
Abre-se então o copo de vazamento na caixa-tampa e é extraído o modelo e na
caixa-fundo são confeccionados a rede de canais de distribuição de metal fundido e o
poço localizado abaixo do canal de descida, como exposto na figura 5.
Figura 5 – Preparações Finais do Molde.
Então é fixada a caixa-tampa sobre a caixa-fundo através de presilhas ou
grampos, originando assim o molde pronto ao vazamento do metal líquido, como
exposto na Figura 6. Cabe lembrar que em areias curadas com resina não é
necessário a manutenção da areia dentro da caixa uma vez que o molde ganha
resistência mecânica após o processo de cura.
Figura 6 – Molde pronto para o processo de vazamento.
Uma vez unido e preparado para o processo de fundição, o metal líquido é
derramado através de um canal chamado de canal de descida, que transmite o metal
fundido através de canais chamados de canais de distribuição para canais de ataque,
os quais têm a função de alimentar a cavidade do molde destinado a formar a peça.
Os canais não devem ser grandes, para não aumentar a quantidade de resíduos e
escórias do metal incluídas na peça, porém não devem ser tão pequenos, pois isto
facilita a solidificação rápida causando uma obstrução. Na parte inferior do canal de
descida há um espaço chamado poço, que armazena aglomerados de areia soltos da
pelo impacto do fluxo do metal líquido na base do canal de descida.
Há também um sistema de massalotes, que atuam como um reservatório de
metal fundido, cuja função é suprir a cavidade principal do molde durante o processo
de fundição uma vez que há a retração volumétrica do metal devido ao processo de
solidificação, eliminando assim defeitos como cavidades e deformações oriundos
desta retração.
Existem técnicas metalúrgicas detalhadas e complexas que devem ser
seguidas e respeitadas a fim de se realizar a reprodução do modelo, dentro do bolo de
areia, o mais próximo do formato final, garantindo assim que a peça que será
produzida necessitará do mínimo de acabamento, diminuindo o custo final da peça, e
possuirá as características metalúrgicas projetadas. Caso algumas dessas técnicas
sejam desprezadas a peça irá apresentar os mais variados defeitos de formação
(vazios, não-preenchimento, inclusões de areia, rechupes, dentre outros), qualidade,
acabamento e será rejeitada. Cabe ressaltar que a areia deve ter uma consistência
pré-determinada, uma umidade característica e o bolo de areia deverá ser permeável
para que ar e os gases existentes em seu interior possam sair, enquanto o metal
líquido entra, não gerando defeitos.
Defeitos como microporosidade pode ser eliminado por solidificação
direcional, através da incorporação de um inserto metálico (“chill”) dentro do molde ou
afinando seção do corredor. Os chills também são utilizados em torno de partes mais
grossas do fundido para fornecer refrigeração uniforme dessas partes com as partes
mais finas evitando assim o surgimento de trincas, preservando as propriedades
mecânicas da peça como um todo.
Na Figura 7 podemos observar um panorama geral do processo de fundição,
nas duas primeiras linhas está esquematizado o processo de confecção do molde e na
ultima o processo de fundição propriamente dito.
Figura 7 – Processo de fundição.
1.1.1 Areia de cura a frio.
1.2 As ligas de Al para fundição.
As ligas de alumínio se destacam para o processo de fundição devido a sua
boa combinação de propriedades mecânicas e anti-corrosivas associada a uma boa
fundibilidade, fator que possibilita a adaptação da mesma na maioria dos processos de
fundição.
Dentre as características destas ligas podemos destacar: a boa fluidez, que
garante o preenchimento de seções delgadas; o baixo ponto de fusão (650 - 760°C),
fator que garante maior vida útil dos equipamentos e menor necessidade de
manutenção; densidade reduzida, fator que o torna competitivo diante do aço e ferro
fundido no setor de automotivo e aeronáutico, boa estabilidade química e bom
acabamento superficial. Contudo também é necessário atentar ao fato de que estas
ligas apresentam tendência a formação de porosidade, devido a grande contração
sofrida pelo material durante a solidificação que gira em torno de 6,5 a 8,5% além da
grande diminuição da solubilidade do hidrogênio no alumínio com a diminuição da
temperatura, fazendo com que o hidrogênio se precipite na forma de bolhas durante a
solidificação, e a grande reatividade que o alumínio apresenta em relação ao oxigênio,
fator que pode acarretar a inclusão de óxidos caso o filme de óxido que se forma na
superfície do banho líquido seja quebrado ou que ocorra vazamento em regime
turbulento.
As ligas de alumínio para fundição são classificadas de acordo com o sistema
apresentado pela Associação de Alumínio (AA), nesta as ligas são classificadas
através de um código de três dígitos seguido por um valor decimal, sendo que o
primeiro representa a designação da série da liga, o segundo e o terceiro são
referentes à sua composição química específica e o valor decimal representa a forma
com a qual o material é encontrado, como no caso dos valores .1 e .2 descrevem que
a liga se encontra em forma de lingote. Na tabela 1 podemos visualizar as
composições das famílias de ligas de Alumínio para fundição.
Tabela 1: Ligas de alumínio para funidição.
Ligas de Al fundidas.
Famíli
aComposição Química da Liga
1xx.x Al não ligado com pureza acima de 99%.
2xx.xLigas nas quais o cobre é o principal elemento de liga, embora possa
conter magnésio.
3xx.xLigas onde o Si é o principal elemento de liga, mas pode conter outros
elementos de liga como Mg e Cu.
4xx.x Ligas onde o Si é o principal elemento de liga.
5xx.x Ligas onde o Mg é o principal elemento de liga.
6xx.x Ligas onde o Mg e Si são os principais elemento de liga.
7xx.xLigas onde o Zn é o principal elemento de liga, mas pode conter outros
elementos de liga como Mg e Cu.
8xx.x Ligas onde o Sn é o principal elemento de liga.
As ligas Al-Si são as mais conhecidas e utilizadas devido as características de
grande fluidez, resistência a trinca a quente e estanqueidade, outro fator importante
desta liga é a presença de um eutético, formado com 12,6% de Si, com baixa
contração volumétrica e alta fluidez que garante ótimos resultados. As ligas
hipoeutéticas (Si < 12,6%) podem sofrer um processo denominado modificação no
qual a adição de Na ou Sr aumenta a tenacidade da liga através da modificação da
forma da fase rica em Si presente no eutético normalmente em formas aciculares ou
de plaquetas proporcionando o efeito de entalhe, concentrando assim a tensão
solicitante. Por sua vez as ligas hipereutéticas (Si > 12,6%) podem ser melhoradas
mecanicamente através do refino dos cristais primários,obtido através da adição de P.
Dentre as aplicações é possível destacar: caixas medidoras de energia elétrica, peças
com seções finas, utensílios domésticos, moldes para artefatos de borracha e
componentes de arquitetura anodizados na cor cinza.
Figura 8 – Diagrama de fase Al-Si.
As ligas Al-Cu se destacam por sua resistência mecânica e dureza, devido a
solubilidade de 5,7% de Cu em Al, estas ligas são aptas a processo de endurecimento
por precipitação de Al2Cu sendo possível ver um ganho de resistência mecânica já no
estado bruto de fusão devido à estrutura saturada solidificada. O elemento de liga Ni
pode ser adicionado a fim de se obter um ganho de resistência mecânica em alta
temperatura, o Mg pode ser também pode ser adicionado para um aumento de
resistência, embora diminua a fundibilidade da liga; e o Si para aumentar a
fundibilidade (aumentando a fluidez, a resistência a formação de trinca a quente e a
estanqueidade além da redução da contração volumétrica). Dentre as suas aplicações
é possível destacar que estas ligas são as que apresentam as melhores resistências
mecânicas dentre as ligas de Al fundidas, sendo por isso utilizadas como ligas
aeronáuticas dentre as quais estão as ligas AlCu4Ti e AlCu4TiMg, onde o Ti é o
elemento responsável pelo refino de grão.
Figura 9 – Diagrama de fase Al-Cu.
As ligas de Al-Mg se destacam por serem mais leves que o Al puro e
apresentar boas propriedades mecânicas (podendo ser melhorada através de
precipitação de Mg2Si) e boa resistência a corrosão. Podem substituir o ferro fundido
em muitos casos onde sua densidade inferior, o melhor acabamento e melhor
resistência à corrosão são necessárias. Geralmente são usadas em situações onde é
necessário alta resistência a corrosão como na indústria naval e química.
Figura 10 – Diagrama de fase Al-Mg.
Alguns dos problemas característicos apresentados pelas ligas de Al fundidas
são: porosidade gasosa, devido a precipitação de gás dissolvido, incorporação de gás
no fluxo metálico durante vazamento ou degradação de resinas componentes de
molde ou machos; porosidade por contração, divididos em macroporosidade,
microporosidade e formação de filme poroso; inclusões de óxidos; e gotas quentes.
Dentre os principais problemas é possível notar o tamanho da contribuição da
presença do hidrogênio na degradação da peça fundida, tendo isso em mente a
eliminação de porosidade por gases pode ser obtida a partir de três maneiras distintas.
A primeira consiste na redução da absorção de hidrogênio nas etapas de fusão,
manutenção de temperatura e vazamento do Al através do controle do tempo de
permanência do material em estado líquido, controle da temperatura de manutenção e
eliminação de agitação do banho, a fim de não quebrar a camada de óxido protetora
do banho metálico. A segunda maneira consiste na utilização de filtros cerâmicos com
a finalidade de eliminação de óxidos do banho que podem funcionar como substrato
de nucleação heterogênea de bolhas. Por fim, a ultima maneira consiste na
desgaseificação do banho antes do vazamento através de borbulhamento de N,
geração de vácuo e adição de tabletes de hexacloretano.
A liga utilizada pelo grupo durante a realização deste trabalho foi a 380.0 cuja
composição e propriedades estão descritas em detalhes no anexo 3 do presente
trabalho.
1.3 O suporte de motor de aeromodelo.
O montante para motor de aeromodelo é a peça que faz a fixação e a junção
do motor com a fuselagem do avião. Apesar de possuir uma geometria relativamente
simples, comparada com as possibilidades que o método de fundição por areia verde
proporciona, é uma peça de responsabilidade, afinal faz a fixação do motor e, no caso,
o modelo que fundido é de um montante que suporte motores entre 0.60 e 0.70 in3 ,
por existir a possibilidade de testar a peça, pois tem-se um motor OS FX .61 que tem
em torno de 1,90 CV de potência a 16000 RPM, com rotação variando entre 2000 e
17000 RPM que e gera aproximadamente de 3 a 3.2 kg de empuxo a 12500RPM com
uma hélice APC 13x4 e pesa em 800 gramas o conjunto completo (motor, escape e
hélice). Apesar de ser somente um cilindro, e o torque na peça não ser alto, a vibração
é muito grande e o contra-golpe com a fuselagem do avião na partida, por causa da
elevada compressão, é bem forte caso o motor não funcione na primeira tentativa (o
que não é incomun de acontecer). Além disso, o montante precisa resistir à quedas e
pousos mal sucedidos para que o conjunto moto-propulsor (motor e hélice) não se
separe da aeronave, o que pode causar sérios acidentes.
Os montantes comuns são feitos, em geral, em PA 6,6 reforçado com fibra de
vidro, alguns também são feitos em alumínio, mas são obviamente mais caros. A
proposta de fazer essa peça fundida em liga de alumínio 380 tem como objetivo obter
uma peça com maior qualidade para aeromodelos que exigem um equipamento mais
robusto, como os utilizados em vôos acrobáticos, através de um método de produção
mais simples que, por exemplo, usinagem.
Peça que será feita em alumínio Esquema de fixação do motor
(no caso motor OS .40 LA)
Figura 11 – Peça a ser fundida.
1 Metodologia.
2.1 Cálculos iniciais.
Dimensionamento de canais e massalotes
Primeiramente buscou-se dimensionar o(s) massalote(s) necessário(s).
Para tal é necessário calcular o módulo da peça e considerar o volume de
contração do material. As ligas de alumínio apresentam volumes de contração
entre 3,8 e 6,6%, aproximadamente.
Através do desenho em três dimensões da peça, determinou-se a área
superficial e o volume total da peça. A partir destes dados pode-se determinar
o módulo da peça, que é proporcional ao tempo de solidificação desta.
t=k 2.(V CAC )2
=k2 .M c2 (1)
sendo t o tempo de solidificação da peça, Vc o volume da peça, Ac a área
superficial da peça e k é uma constante dependente das propriedades do
metal e do molde.
Assim a razão volumétrica/área superficial da peça nos permite
comparar os diferentes tempos de solidificação, relativos as diferentes partes
da peça. Para melhor estudarmos a peça, está foi dividida em três partes: uma
base toroidal e as duas aletas. Os dados de área superficial e volume de cada
parte fornecidas pelo software de desenho foram substituídas na equação 2
abaixo e os módulos calculados.
M c=V CAc
(2)
Na tabela abaixo, são apresentados os valores de volume, área
superficial e módulo de cada secção da peça.
Secçã
o
Volume (Vc)
(mm3)
Área superficial (Ac)
(mm2)
Módulo (Mc)
(mm)
Toróide 18.746 12.356 2,83
Aleta 22.761 8.048 1,52
Nota-se que o toróide apresenta um módulo maior que as aletas, logo
este irá solidificar em um tempo maior. Assim, não junção das aletas com o
toróide é de se esperar a existência de um ponto quente, local onde, pode estar
a uma maior temperatura e com um maior tempo de solidificação, seja então
uma região mais propicia ao aparecimento de porosidade e rechupes. Para
compensar isto então, devemos colocar dois massalotes, um em cada junção
aleta/toróide, para suprir esta região com metal líquido compensando a
contração e o rechupe neste ponto.
Pela regra dos massalotes, o módulo do massolote deve ser maior que o
módulo da peça, para que então o massalote leve mais tempo que a peça para
solifdificar-se, permitindo então que o massalote supra a peça com mais metal
líquido. Usualmente utiliza-se massalotes com módulo 20% maior que o
módulo da peça, ou seja:
Mm=1,2 . M c (3)
Assim, o massalote deve apresentar um módulo igual à 3,39, que 20%
maior que o módulo do toroide, secção com maior módulo.
Segundo a regra da contração, o massalote deve conter um volume de
metal líquido suficiente para compensar a contração da peça. Para isso deve-
se conhecer a densidade do alumínio líquido, do alumínio sólido e o volume da
cavidade a ser alimentada. Este último pode ser considerado como o volume
total da peça, que foi fornecido pelo software como sendo de 41.507 mm³. O
volume a ser alimentado pelo massalote é dado então pela equação abaixo:
Valimentado=¿V cavidade .( ρsólidoρlíquido )¿ (4)
Substituindo o volume da peça e as densidades do alumínio sólido e
líquido, que são, respectivamente, 2,7 e 2,37 g/cm3, na equação acima temos:
V alimentado=47.187mm3
O volume do massalote pode ser então determinado com base no
volume de alimentação, seguindo a seguinte equação, vinda também da regra
da contração:
V massalote>K' . r .V alimentado (5)
Onde K’ um coeficiente de segurança que depende do massalote
utilizado e r é o coeficiente de contração volumétrico da liga metálica. O valor
de K’ considerado é o utilizado para o caso comum de massalote, não
aquecido pelo ataque, ou com luva exotérmica. Neste caso então, K’=6. A
contração das ligas de alumínio variam entre 4,5 e 7,5%, mas como não
sabemos com precisão o valor de r da liga utilizada (a liga 380), considerou-se
a contração como sendo 5%.
Assim, substituindo os valores na equação 5, obtemos que o volume do
massalote deve ser maior que 14.160 mm3, porém como serão utilizados dois
massalotes iguais, em pontos simétricos da peça, o volume calculado será
dividido igualmente para cada massalote, ou seja, 7.080 mm3.
Por questões de facilidade de fabricação do massalote, a geometria
escolhida foi o cilindro de diâmetro igual à altura, que é também uma geometria
que confere módulos relativamente altos com volumes reduzidos, mais
otimizados. O módulo pode ser facilmente calculado da seguinte forma: a área
superficial é dada por duas vezes a área da base vezes uma vez a área lateral.
Ac=2. Abase+A lateral=2π a2
4+2π a2=3 π a
2
2(6)
O volume é calculado como sendo uma vez a área da base vezes a
altura.
V C=Abase . altura=π a2
4. a= πa
3
4(7)
Assim, o módulo do massalote é dado em função do diâmetro=altura, como
sendo:
M c=V cAC
=a6
(8)
Utilizando uma tabela no Excel, foi facilmente determinado o diâmetro de um
cilindro de altura também igual ao diâmetro, com módulo de pelo menos 3,36 e
volume maior que 7.080 mm3. A tabela é mostrada abaixo:
O diâmetro=altura do cilindro cujo volume é superior a 7080 mm3 é
então 21 mm, que tem volume igual a 7270 mm3, e como um módulo de 3,5,
que é maior em mais que 120% da secção toroidal, como calculado
previamente.
Para determinar as dimensões do massalote, utilizamos o ábaco para fundição
de alumínio, apresentado abaixo:
Antes de utilizar o ábaco se faz necessário determinar alguns
parâmetros, como vazão e a área do canal de ataque. Este último foi
determinado como sendo a área da base das aletas, visando que a peça seja
preenchida por baixo, contra a gravidade, visando um preenchimento menos
turbulento possível. A área calculada a partir do software de desenho foi de
321,3 mm2.
O segundo parâmetro foi a altura do canal de descida foi determinada como
sendo de 150 mm. Este valor foi considerado baseado na altura total da peça
com os massalotes de forma que o canal de descida termine aproximadamente
na metade da altura do molde pensado. Fixando então os valores da altura do
canal de descida e da área do canal de ataque no ábaco temos os outros
parâmetros dimensionais dos canais do molde.
Os outros parâmetros dados pelo ábaco são:
Velocidade de preenchimento médio de 0,13 kg/s;
Velocidade inicial de 0,2 kg/s;
Área do canal de alimentação de 160,65 mm² - raio de um cilindro de
7,15 mm;
Área do topo do canal de entrada 164 mm² - r = 7,23 mm;
E, de acordo com a altura estipulada de 150 mm do canal de descida,
área do fundo do canal de entrada igual 70 mm² - r = 4,72 mm
Com base nestes valores, os canais foram então dimensionados para a
simulação e posterior confecção do molde em areia de sílica aglomerada com
resina de cura a frio, para a produção da peça.
2.2 Simulação computacional.
A simulação foi realizada através do simulador MAGMAsoft. Os resultados
expostos a seguir nos mostram um preenchimento satisfatório do molde, sem a
presença de regiões não preenchidas. Nas Figuras 12 a 17 podemos ver o
desenvolvimento do metal líquido com suas respectivas temperaturas locais durante a
ocupação do molde.
Figura 12 - Preenchimento do molde após 1 s.
Figura 13 - Preenchimento do molde após 2 s.
Figura 14 - Preenchimento do molde após 3 s.
Figura 15 - Preenchimento do molde após 4 s.
Figura 16 - Preenchimento do molde após 5 s.
Figura 17 - Preenchimento do molde após 6 s.
A simulação exposta acima nos mostra como o metal foi ocupando o molde
concomitantemente com a sua diminuição da temperatura, o ponto ao qual é necessária
atenção é: foi possível, como esperado pelos cálculos preliminares, observar que abaixo dos
massalotes ocorreu a formação de uma região quente devido ao modulo mais elevado da
região (situação confirmada através dos resultados expostos pela Figura 18), porém
inesperadamente é possível notar que o massalote apresenta temperatura inferior à região
quente a qual ele deveria servir de reservatório de metal líquido durante a solidificação. Este
erro de projeto prejudicou a peça, pois a contração do metal nesta região uma vez que não é
nutrida por metal fundido irá produzir porosidade, como observado nas micrografias
realizadas. Outro ponto que nos chama atenção é a possibilidade de ocorrer o aprisionamento
de metal líquido, ou em alta temperatura, na parte inferior da peça, fator este que poderia
acarretar a geração de mais porosidade.
Figura 18 – Hot spots.
A Figura 19 nos mostra o tempo de preenchimento para os diversos locais do molde.
Figura 19 – Tempo de preenchimento do molde.
O critério Niyama baseia-se no Gradiente Térmico e na Taxa de Arrefecimento, e
aplica-se na detecção de zonas de macro porosidade em aços. Quanto mais baixo o seu valor,
maior é a probabilidade de existência de porosidades na peça. Embora este critério tenha sido
concebido para a fundição de aços, pode ser estendido a outras ligas. Em qualquer liga, um
valor de 0 significa uma solidificação mal direcionada. Os valores críticos habitualmente usados
são:
Aços: 0 1
Ferros fundidos: 0 0,75
Alumínio: 0 0,30
Ligas de Cobre: 0 1,30
Para valores acima deste intervalo, a probabilidade de existência de porosidades é baixa,
embora seja necessária cautela para utilização destes resultados devido ao fato de eles apenas
levarem em consideração os efeitos de transferência de calor e não os de gravidade.
Na figura 20 estão expostos os resultados do critério de Niyama para as varias
localidades da peça fundida, nela é possível notar que a geração de macro porosidade é muito
favorecida em toda peça devido grandemente à alta taxa de arrefecimento causada
grandemente pela rápida dissipação de calor característica do Al, outro fator que devemos
atentar na análise desta simulação é que uma vez que o processo de preenchimento e
solidificação do metal no molde foi rápido, o efeito da gravidade perde a parte da sua
significância e influência no resultado final, ocasionando a geração de porosidade generalizada
como observado na análise metalográfica.
Figura 20 – Critério de Niyama.
2.3 Procedimento realizado.
O procedimento da parte experimental teve início com a confecção do molde
de areia curada a frio com resina pep set (fenólica uretânica). Devido à algumas
restrições dimensionais e geometria da peça foi necessário a realização de alguns
ajustes no projeto inicial como a eliminação do canal de ataque, como será exibido foi
produzido o molde apenas com um canal entre o canal de descida e as regiões de
entrada de material na peça, e o aumento em 10 mm na altura do massalote devido a
impossibilidade de cortar o modelo de massalote utilizado.
O molde foi produzido em três partes, a superior continha o canal de entrada e
as duas saídas do massalote, a parte intermediária continha a cavidade referente à
peça a ser fundida e parte do canal de ataque e a parte inferior continha o poço,
abaixo do canal de ataque e o canal de alimentação da peça. Na confecção foi
necessária a adição de talco entre as partes de areia e entre a peça polimérica
utilizada como modelo e a areia compactada em volta do mesmo a fim de não ocorres
aderência entre as partes. Na Figura 21 é possível visualizar as três partes de forma
esquemática.
Figura 21 – Molde confeccionado.
Uma vez confeccionado o molde foi realizado o vazamento da liga de Al-Si
380.0 no molde fixado por dois sargentos, como exposto na Figura 22.
Figura 22 – processo de vazamento.
Após o período de resfriamento o molde então foi destruído e a peça bruta foi
retirada, como exposto na Figura 23.
Figura 23 – Extração da peça
A peça então foi submetida ao processo de acabamento, corte dos canais de
alimentação e massalotes, e análise metalográfica das áreas criticas próximas ao hot
spot.
Cabe lembrar que todas as etapas práticas descritas no presente trabalho foi
realizada com o auxilio ativo de todos os membros do grupo, fator que acarretou uma
mudança de visão a respeito do processo de fundição e seus possíveis problemas
durante o processamento.
2 Resultados e discussões.
Medidas de Porosidade
A porosidade foi medida neste trabalho para que se avaliasse a porcentagem
(em área) de poros distribuídos ao longo da peça, e, principalmente, nas áreas críticas
de solidificação. Além da medida percentual, foi efetuada uma medida do tamanho de
poro, a fim de se comparar os tamanhos médios dos poros entre as principais áreas
que podem causar problemas na peça.
Primeiramente, a peça foi cortada e preparada metalográficamente para
observação de sua matriz. Então, algumas imagens foram obtidas e tratadas com o
programa ImageJ. Este programa, através do mensuramento das áreas da imagem, é
capaz de fornecer resultados confiáveis, com pequenos desvios, para os valores de
porosidade e tamanho de poro.
Determinação da Porosidade
As imagens obtidas da peça, após a análise metalográfica, foram inseridas no
programa, a fim de ser efetuar a configuração da escala de ampliação. Através de
imagens de escalas obtidas pelo mesmo microscópio, sob a ação da mesma câmera,
foi possível estabelecer a escala de ampliação, tornando a análise mais precisa e
confiável.
Figura 24 – Configuração de escala de ampliação da imagem.
Após este passo, efetua-se a limiarização de cores (Threshold Color) da
imagem; este passo é o mais importante, pois nele se definem quais serão as áreas a
serem mensuradas como porosidade. A limiarização consiste em, através do contraste
de cores, determinar quais serão as áreas a serem avaliadas, neste caso, as áreas
escuras, que se tratam das porosidades.
Figura 25 – Limiarização de cor e determinação das áreas de porosidade.
Após a limiarização de cor, as regiões a serem mensuradas são demarcadas
com um contorno amarelo, e assim, é possível observar exatamente quais as regiões
que terão suas áreas calculadas. Algumas regiões da imagem são demarcadas,
mesmo que não apresentando porosidade alguma; isso decorre do contraste da
imagem: algumas regiões ficam escuras, dificultando a diferenciação entre áreas
porosas e regiões de baixo contraste. No entanto, como essas regiões são pequenas,
as áreas resultantes também são pequenas, o que causa pouca influência no
resultado real de porosidade.
Figura 26 – Demarcação das regiões de mensuramento.
Figura 27- Obtenção da área das regiões demarcadas.
Por fim, as áreas demarcadas são medidas e comparadas com a área total da
imagem, caracterizando a porcentagem de porosidade daquela região da peça. Para
um resultado satisfatório, várias imagens são obtidas de diferentes áreas e um estudo
estatístico é efetuado para toda a peça.
Dessa mesma forma foi realizado o estudo de porosidade no montante de
aeromodelo; no entanto, a porosidade foi subdividida por áreas críticas, a fim de se
observar mais claramente a distribuição e tamanho dos poros de acordo com a região.
De acordo com os resultados obtidos, foi montada a seguinte tabela:
Região do canal de
entrada (ponta das aletas)
Região dos massalotes
(junção das aletas com a
base)
Porosidade Média (%) 3,0 ± 0,6 % 5,3 ± 0,8 %
Tamanho Médio de Poro
(µm)
119 ± 39 µm 204 ± 67 µm
Microestrutura
A microestrutura da peça mostrou, assim como pressuposto de acordo com
sua composição química, se tratar de uma liga hipoeutética (Si < 12,6%), formada
através da solidificação inicial de dendritas de Al com posterior solidificação da fase
líquida que adquiri a composição eutética através da rejeição de soluto fruto do
crescimento dendrítico do Al. A microestrutura resultante é o que se pode ver nas
figuras abaixo:
Figura 24 – Microestrutura do montante fundido; liga Al-Si 380. Ampliação 50x.
Comparando com uma microestrutura da mesma liga de alumínio do ASM
Handbook of Metals - Volume 9, pôde-se observar as diferentes fases presentes na
microestrutura.
Figura 1 – Amostra fundida da liga Al 380F. O indicador C mostra a matriz de
alumínio e o marcador D mostra o eutético Al-Si. Ampliação 130x. Fonte: ASM
Handbook Vol. 9
Figura 2 – Microestrutura comparativa com a encontrada no ASM Handbook.
Matriz de alumínio com eutético Al-Si. Ampliação 100x.
Figura 3 – Detalhamento do eutético Al-Si. Ampliação 200x.
3 Conclusões.
O grupo chegou à conclusão de que o processo de fundição de Al necessita de
decisões quanto ao processamento (como tipo de molde, tipo de areia, liga a ser
utilizada, dentre outras variáveis, quanto de planejamento (como disposição das partes
no molde, localização e formato de canais de ataque, localização do massalote, dentre
outras variáveis) necessário à obtenção de uma peça fundida boa se encontra em
limites muito estreitos, onde qualquer tomada de decisão equivocada ira proporcionar
defeitos de significância estrutural variável.
Embora a peça tenha apresentado porosidade em nível razoável, ela encontra
ainda dentro da faixa esperada para as ligas de Al.
A peça produzida não poderá ser utilizada em aeromodelos com motores mais
potentes devido a porosidade contida, porém ele poderá ser usados naqueles de
potência inferior.
Por fim, o fator que o grupo considerou mais importante foi a possibilidade de
utilizar na prática os conhecimentos obtidos nas aulas teóricas e descobrir que na
prática nem sempre é possível ser realizado do modo que foi planejado e que os
problemas ocorridos requerem que o engenheiro de materiais utilizem seus
conhecimentos básicos obtidos durante o curso para interpretar a origem e as
possíveis soluções dos mesmos.
Anexo 1: Areias utilizadas no processo de fundição.
Nas areias utilizadas como molde, um fator essencial é o pH que sempre tem
de ser monitorado. A granulometria média é de 0,05 mm a 2 mm (peneiras 10 a 270).
Os tipos de areia existentes são: sílica, cromita, zirconita, olivina, chamote e
cerabeads.
Tipos de areias:
Sílica (óxido de silício – SiO2)
Cromita (FeO.Cr2O3) – alta condutividade térmica (ideal para peças pequenas)
Zirconita (silicato de zircônio – ZrO2.SiO2) densidade: 4,7
Baixa molhabilidade no Fe
Areia base olivina
Forsterita (2MgO. SiO2) e faialita (2FeO. SiO2).
Areia base Chamote
Quadro Geral das características da Areia
Composição
Química/característicasSílica Cromita Zirconita Olivina Chamote
SiO2 (%) 99,02 1 a 2 30 a 34 40 a 43 52 a 60
Al2O3 (%) 0,049 12 a 25 0,5 a 1 1 a 2 43 a 45
Cr2O3 (%) 36 a 50 - - -
MgO (%) 0,031 13 a 18 - - -
ZrO3 (%) 64 a 68 - -
FeO3 (%) 0,019 15 a 25 1 a 2 - -
FeO (%) - - - 5 a 7 -
Características físicas
Densidade real (g/cm3) 2,2 a 2,654,45 a
4,654,6 a 4,7 3,25 a 3,4 2,6 a 2,7
Densidade aparente
(g/cm3)1,7 2,7 a 2,9 3 a 3,1 2,1 a 2,3 1,35
Dilatação média até
1000ºC (%)1,5 0,9 0,4 1,1 0,6
Tf (ºC) 1750 2200 2550 1800 1840
Ts (ºC)1350 a
1450
1350 a
1500140
1250 a
1600-
Dureza (Mohs) 6 a 6,5 5,5 a 7 7 a 7,5 6,5 a 7 -
Expansão Térmica a
871ºC(mm/mm)0,457 0,127 0,076 0,203 -
Faixa de módulo (AFS) 25 – 180 50 – 90 95 – 160 40 – 160 -
Reação química à alta
temperatura
Ácida -
Neutra
Básica -
Neutra
Ácida -
NeutraBásica -
Anexo 2: Regeneração da areia e uso de areia de
quartzo.
A utilização de areia regenerada está aumentando continuamente. As razoes
para tal, são variadas. Elas podem ser agrupadas nas seguintes categorias:
controle de poluição
razões de qualidade
razões econômicas
O descarte de areias usadas ligadas com resina tem se constituído em um
problema. Deve-se supor que limites cada vez mais restrito serão impostos no futuro
para o descarte de areia de fundição usada. As considerações econômicas em favor
da reutilização da areia recuperada também não são desprezíveis. Além disso, a
prática tem mostrado que quando areia usada é empregada, defeitos de fundição tais
como veiamento, distorções e penetrações ocorrem muito menos freqüentemente do
que quando é usada areia nova exclusivamente. Estes defeitos os quais são causados
principalmente pela expansão do quartzo, são freqüentes, especialmente no caso de
fundição de aços e metais pesados, quando sé é utilizada areia nova. De um ponto de
vista tecnológico, os processos de regeneração mecânica e térmica são apropriados
para recuperação de areia. Em geral, areias ligadas com resinas de cura a frio podem
ser regeneradas mecanicamente. São obtidos níveis de resistência mais baixos
quando se usa areia recuperada mecanicamente, em comparação com areia nova. A
qualidade da areia usada exerce uma forte influência a este respeito, e isto precisa ser
checado continuamente. Instalações de recuperação de areia com pequenas perdas
de resistência já são possíveis hoje em dia.
Anexo 3: Liga 380.0