Aula 01 Introdu o aos Processos de Fundi o - UDESC - CCT · 1 Aula 01: Introdução aos Processos...

1

Aula 01: Introdução aos Processos de Fundição

Disciplina: Fundição dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalúrgica

1. IntroduçãoDefinição de fundição.História da FundiçãoCaracterísticas e potencialidades dos processos de fundição.Princípios fundamentais.

2. Classificação dos Processos de Fundição Classificação em Função do Tipo de Molde.Classificação em Função da Forma de Enchimento.

3. Critérios para escolha de um processos de fundiç ão MaterialPeçaFatores EconômicosInfraestrutura

Processo metalúrgico de fabricaçãoque envolve a

fusãode metais ou ligas metálicas, seguida do

vazamento-enchimento dos mesmos em moldes

adequadospara solidificaçãoe obtenção das

formas sólidas finais requeridas

DEFINIÇÃO DE FUNDIÇÃO

Disciplina: Fundição dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

2

Processo de FundiçãoRota Metalúrgica

Fusão –Tratamentos do Banho

Vazamento

Preenchimento

Solidificação

Resfriamento

Pós Processamento

Seleção e Preparação da Carga

Rota Processual

FerramentaisMatérias Primas

e Insumos

Projetos

Processo ?

Tipo de Molde e/ou Modelo(Materiais)

Forma de Enchimento


Processo de FundiçãoRota Metalúrgica



Vazamento

Preenchimento

Solidificação

Resfriamento

Pós Processamento

Carga composta por diferentes materiais

Conhecimento das composições químicas dos diferentes componentes da carga

Elaboração do cálculo de carga e definição das proporções dos diferentes componentes

Composição química Especificada

Estimativa de Perdas na fusão

Principal problema: conhecimento preciso da composição química da carga


3

Rota Metalúrgica



Vazamento

Preenchimento

Solidificação

Resfriamento

Pós Processamento

Processo de Fundição

Fusão – ocorrência de reações químicas do metal líquido com o ambiente

Desequilíbrio na composição química

Medidas necessárias:1. Controle da temperatura do banho2. Controle do tempo a temperaturas elevadas3. Realização de tratamentos do banho

Principal problema: variações na composição química ⇒ peças fora das especificações


Rota Metalúrgica



Vazamento

Preenchimento

Solidificação

Resfriamento

Pós Processamento

Processo de Fundição

Transferência do metal líquido do forno para os moldes

Sistemas de vazamento (manuais, mecânicos e automatizados) e características dos moldes (bacia, copo, funil,...)

Principais problemas: perdas de temperatura e agitação do metal líquido


4

Principais elementos na obtenção de uma peça fundida em um molde de areia

Molde Inferior

Molde Superior

Linha de Apartação

Cavidade do Molde

Marcação do Macho

Areia

Areia

Caixa de Moldagem

Ataque

MACHO

Canal de Distribuição

Descida

Massalote


O Processo de Fundição permite obtenção de:

• Peças acabadas ou semi-acabadas

• Lingotes para conformação mecânica

• Lingotes para refusão


5

Fig. 1 Bronze Age stone mold with axe.

HISTÓRIA DA FUNDIÇÃO

Fonte: Casting - Volume 15 - 9th Edition Metals Handbook. ASM -1991Copyright © 1988 ASM International


The Bronze Age began in the Near East before 3000 B.C . The first bronze that couldbe called a standard alloy was arsenical copper, usually containing up to 4% As, although a few objects contain 12% or more. This alloy was in widespread use andoccurs in objects from Europe and the British Isles (Fig. 2) as well as the Near East

Fig. 2 Top and side view (a) of arsenical copper axes from Oxfordshire, England, thatappear silver plated due to inverse segregation. (b) Detail of one of the arsenical copperaxes showing the joint of the bivalve (permanent two-part) mold, placed so that no core was necessary.


6

The use of 5 to 10% Sn as an alloying element for copper has the obviousadvantages of lowering the melting point, deoxidizing the melt, improv ingstrength, and producing a beautiful, easily polished ca st surface thatreproduces thefeatures of the mold with exceptional fidelity--vitality importantproperties for art castings (Fig. 3).

Fig. 3 Bronze panel by GiacomoManzu for the Doors of Death to St. Peter's Basilica, the Vatican. Thebronze alloy faithfully renders thetexture of the surface as well as the form of the sculptor's model.


Fig. 4 A sword of typical Bronze Age design replicated by Dr. Peter Northover, Oxford, in arsenical copper using a bivalve mold. It has a silvery surface due to inverse segregation. The flash at the mold joint demonstrates the excellent fluidity of the alloy.

The molds were made such that the flash occurred at the edge, which required finishingto sharpen (Fig. 4). These edges are often harder than the body of the object, evidence ofdeliberate work hardening. There is also evidence in the third millennium B.C. for th elost wax casting of small objects of bronze and silver , such as the stag from AlaçaHoyük, now in Ankara.


7

At Gussage, an Iron Age (first century B.C.) factory was excavated. The lost wax processwas used in this factory for the mass production of bronze bridle bits and other metal fittingsfor harnesses and chariots. More than 7000 fragments of clay investment molds wererecovered (Fig. 5), along with crucible fragments, charcoal slag, and other debris thought to represent the output of single season.

Fig. 5 Fragments of a crucible (top) and a lost waxinvestment excavated at Gussage All Saints.


The Bronze Age in the Far East began in about 2000 B.C. more than a millennium after its origin in the Near East. It isnot yet clear whether thisoccurred in China or elsewhere in southeast Asia, and there are vigorousefforts underway to discover and interpret early metallurgical sites in Thailand.

Casting was the predominant forming method in the Far East. There is litt leevidence of other methods of metalworking in China before about 500 B.C. Antique Chinese cast bronze ritual vessels were of such co mplexity that it was the opinion until recently that these must have been cast by the lost waxmethod. This had also been the opinion of Chinese scholars in recentcenturies .


8

Fig. 6 Cross section of a leg and part of the attached bowl of a Chinese ting, a footed cauldron of the type used for cooking in China for at least 3000 years. Theleg was cast around a core, which is still in place. Part of this core was excavated to allow a mechanical as well as a metallurgical joint when the leg was placed in themoldand the bowl of the vessel cast on. Source: Ref 1.


Cast iron appeared in China in about 600 B.C . Its use was not limited to strictly practical applications, and there are many examples of Chinese castiron statuary. Most Chinese cast irons were unusually high in phosphorus, and, because coal was often used in smelting, high in sulfur as well.

Cast Iron

There is some dispute concerning the date of the introduction of cast ironinto Europe and the route by which it came. There is less disagreementabout the assumption that it was brought from the East. The generallyagreed upon date for the introduction of cast iron smelting intoEurope is the 15th century A.D .; it may have been earlier.

The mass production of cast iron in the West , as well as its subsequentuse as an important structural material, began in the 18th century atCoalbrookdale in England . Here Abraham Darby devised a method ofsmelting iron with coal by firstcoking the coal. He was successful because thelocal ores fortuitously contained enough manganese to scavenge the sulfurthat the coke contributed to the iron.


9

Fig. 7 The Iron Bridge (a) across the Severn River at Ironbridge Gorge. The structurewas cast from iron smelted by Abraham Darby at Coalbrookdale. (b) Detail of the IronBridge showing the date, 1779. This was the first importantuse of cast iron as a structural material.


Art FoundingMost surviving large classical sculpture is in stone, but a few of the life-size bronzes known to havebeen cast in antiquity have survived. Some have come to light as a result of excavation or underwaterfinds. Greek bronzes include the Charioteer of Delphi, the Poseidon of Artemision in Athens, and theyouth attributed to Lysippos now in Los Angeles. Large sculptures were piece cast by lost waxand assembled by welding. The joints were skillfully hidden by, forexample, placing them alongfolds in drapery (Fig. 10).

Fig. 10 Bronze statue (a), dated to the fourth century B.C., found off the coast of Turkey. Now in themuseum at Izmir and known as the Lady From the Sea. (b) Assembly diagram for the precast piecesof the Lady From the Sea. Source: Ref 3.

Classical SculptureDisciplina: Fundição dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

10

Colossal Statues

Fig. 12 Overall view (a) of the Great Buddha at Kamakura, Japan, cast in high-lead tin bronze in 1252. (b) View of the face of the Kamakura Buddha showingmetal losses at the joints between separate casts.

TheColossus of Rhodes was a bronze statue that stood more than 30 m (100 ft) tall. Althoughfilled with stone as ballast, it was destroyed in an earthquake in 224 B.C. The fragments remainedwhere they fell until they were sold as scrap in 656 A.D. According to Pliny, other colossal statueswere erected at Tarentum, Rome, and one at Appollonia thatwas later taken to Rom

Art FoundingDisciplina: Fundição dos metais e suas ligasProfessor: Guilherme Verran

Fig. 13 View of the interior of the Kamakura Buddha showing theinterlocking joints between the casts.


11

Equipment Advances

Two types of blowersdeveloped for use in the

foundry industry. (a) Cyclonetype. (b) Box type.


Wheeled ladle for one-man operation used in the latter part of the 19th century.


12

Geared safety ladle as suggested by James Nasmythe in 1867.


Molding Machines.

Sandslingers

Synthetic Sands.

Equipment Advances


13

Advances in Casting Alloys

• Cupola Iron• Chilled Iron• Malleable Iron• Cast Steel• Cast Alloy Steels

Foundry Mechanization

With gray iron, malleable iron, and steel added to the foundrymen's metals for casting to shape, it follows that equipment and methods for the rapidly growing castings industry were also being given increasing attention. Molding, coremaking, sand preparation and conditioning, and metals and materials handling methods also progressed during the 1800s.


The 20th Century

Casting Markets

Foundry Organizations

The American Foundrymen's Association (since 1948, the American Foundrymen's Society) was formed in 1896 out of the Foundrymen's Association of Philadelphia, itself only 3 years old. The New England Foundrymen's Association was formed that same year, and 1 year later the American Malleable Casting Association (changed 30 years later to the Malleable Iron Research Institute and in 1934 to the Malleable Founder's Society) was formed. In 1900, the Carnegie Research Scholarships of the Iron and Steel Institute were founded, followed by the Steel Founders' Society of America in 1902. The Foundry Equipment Manufacturers' Association (now the Casting Industry Supplier's Association) was founded in 1918, and the Gray Iron Institute was founded in 1928. Other casting associations included the American Die Casting Institute (1929), the Alloy Casting Institute (1940), the Nonferrous Founders' Society (1943), and the Foundry Educational Foundation and National Castings Council (1947). The Investment Casting Institute was founded in 1953, the Society of Die Casting Engineers in 1954, and the Ductile Iron Society in 1959. The goal of worldwide cooperation in metal casting prompted the formation in 1923 of the International Committee of Foundry Technical Associations (ICFTA, Zurich, Switzerland), which strives through 24 nations and an annual International Foundry Congress to exchange technical data.


14

Permanent Mold Processes

Slush Casting (pouring out process)

The centrifugal casting process

Aluminum

Magnesium

Die Casting

Investment (lost wax) casting

Molding Sands and Equipment

Ductile Irons and Austempered Ductile Irons

Organic Binders

Automation

The 20th Century: advances in casting technology


Tipo de Molde Tipo de Modelo Forma de Enchimento

Fornos

Reações do Líquido

Propriedades do Líquido

Defeitos

FUSÃO ENCHIMENTO SOLIDIFICAÇÃO

Produto (Peça)

Estrutura

Propriedades

Canais de Enchimento

PROJETOS Massalotes

Peça

FERRAMENTAL MODELO/MOLDE

PROCESSO


15

Etapas básicas envolvidas na obtenção de uma peça fu ndida em areia verde

Placa superior Placa inferiorMacho

Caixa de Machos

Desenho da Peça

Caixa e Placa superiores com os modelos dos canais

Caixa superior após compactação da areia Caixa e Placa inferiores Caixa inferior após

remoção do modelo

Caixa inferior após colocação do macho

Molde pronto para o vazamento do metal

Conjunto fundido extraído do molde

Peça fundida após operações de acabamento

FerramentalFerramental


Sólido Líquido Sólido

Fusão

Tratamentos do BanhoManutenção da TemperaturaVazamento e Enchimento

Solidificação

Princípio Fundamental: mudança do estado físico do metal ou liga (fusão-solidificação)


16

Principais características do processo:

• Natureza economicamente competitiva

• Único processo de conformação viável em alguns casos

• Simplicidade técnica na obtenção de formas complexas

Versatilidade

Altas Taxas de ProduçãoPossibilidade de redução nas etapa de fabricação de um produto


Matriz para forjamento a quente usada na fabricação de cilindros

de pressão para Reatores Nucleares. Peso = 61,5 ton

Diversas peças de pequeno porte e com precisão de detalhes. Pesos

na faixa de gramas

Características dos Processos de Fundição

Versatilidade


17

Características dos Processos de Fundição-Versatilidade

• A literatura especializada descreve aproximadamente 38 métodos diferentes para obtenção de produtos fundidos

• Estes processos podem ser agrupados em 05 grandes grupos:

• Processos Convencionais de Moldagem: Areia verde, shellmoulding, moldagem sem caixa.

• Processos Fundição em Moldagem de Precisão: Coquilha, Fundição Sob Pressão e Fundição de Precisão

• Processos Especiais de Moldagem e Fundição: Moldagem à Vácuo, Fundição Evaporativa (lost foam) e Fundição Centrífuga.

• Processos Moldagem com Areais Quimicamente Ligadas: Cura a Frio e Silicato de Sódio-CO2.

• Novos Processos de Fundição: Rheocasting, Squeeze Casting, Fusão por Eletroescórias.


Características dos Processos de FundiçãoAltas Taxas de Produção

Produção de blocos de motores em Ferros Fundidos –fabricados na faixa do milhões


18

Características dos Processos de Fundição

Possibilidade de redução nas etapa de fabricação de um produto

Carcaça de compressor para uma motor de jato, anteriormente produzido por soldagem de múltiplos componentes, transformado em um componente formado por duas peças fundidas


Vantagens Funcionais dos Processos de Fundição

• Possibilidade de projetar os contornos internos e externos independente de quaisquer outros requisitos.

• Possibilidade de obtenção de estruturas(propriedades) em locais específicos (controle das condições de solidificação) nos quais são necessárias determinadas propriedades específicas tais como: rigidez, resistência ao desgaste, resistência à corrosão, ou máxima resistência a tensões dinâmicas.

• Possibilidade de produzir uma peça complexa usando um único ciclo de fabricação.

• Possibilidade real de obter peças com bom acabamento superficial.


19

Classificação dos Processos de Fundição

Tiposde

Moldes

Areia

Metálico

Convencionais

Casca Cerâmica

Cerâmica/Gesso

Especiais


Molde Inferior

Molde Superior

Linha de Apartação

Cavidade do Molde

Marcação do Macho

Areia

Areia

Caixa de Moldagem

Ataque

MACHO

Canal de Distribuição

DescidaMassalote Detalhes de um

Molde de Areia

Modelos para a obtenção de Moldes de Areia

Processo de Fundição em Moldes de Areia


20

Processo de fundição em Moldes Metálicos por Gravidade

Fundição em Coquilhas

Coquilha de pequeno porte Acionamento Manual

Máquina Coquilhadeira


Componentes principais de uma Máquina de Fundição Sob Pressão em Câmara Fria (Esquema)

Detalhe do Processo de Fundição Sob Pressão

em Câmara Fria

Processo de Fundição Sob Pressão


21

Processo de Fundição de Precisão Microfusão - Cera Perdida

• Modelos Destrutíveis em Cera

• Moldes Tipo Casca Cerâmica

Moldes tipo casca cerâmica no momento do vazamento

Modelo em cera sendo recoberto por lama cerâmica (confecção do

molde tipo casca cerâmica


Classificação dos Processos de Fundição

Forma de

Enchimento

Gravidade

Baixa Pressão

Sob Pressão

Centrifugação


22

Critérios para escolha de um processo de fundição:

• Material

• Peça

• Fatores Econômicos

• Infraestrutura



Material Propriedades

Propriedades da Peça ⇔⇔⇔⇔ Nível de qualidade desejado

Propriedades de Fundição ⇔⇔⇔⇔Definem a maior ou menor facilidade de obtenção da peça


23


Propriedades de Fundição: Propriedades que determinam a maior ou menor habilidade de uma liga para a obtenção de pecas fundidas. ou seja, definem a FUNDIBILIDADE de uma liga.

• Reatividade no estado líquido

• Fluidez

• Modelo de Solidificação e formação de rechupes

• Ponto de fusão

• Coeficiente de Contração volumétrica

• Tendência à trincas de solidificação


Peça


• Performance: propriedades finais

• Design: tamanho, formato, espessura e complexidade

• Exigências: tolerâncias dimensionais, acabamento superficial, processamento subsequente


24


Fatores Econômicos

• Projeto e custo do ferramental

• Vida útil dos ferramentais

• Geração de sucatas e retornos

• Quantidade total a ser produzida

• Custo total do processamento

Relação Custo

x Benefício



Infraestrutura

• Disponibilidade de equipamentos

• Experiência profissional

• Tempo até o início da produção


25


Aula 01 Introdu o aos Processos de Fundi o - UDESC - CCT · 1 Aula 01: Introdução aos Processos...

Documents

Transcript of Aula 01 Introdu o aos Processos de Fundi o - UDESC - CCT · 1 Aula 01: Introdução aos Processos...