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.

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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.

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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

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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:

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• 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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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),

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

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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.

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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.

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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

Page 18: monografia de fundição

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:

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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:

Page 20: monografia de fundição
Page 21: monografia de fundição

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.

Page 22: monografia de fundição

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.

Page 23: monografia de fundição

Figura 13 - Preenchimento do molde após 2 s.

Figura 14 - Preenchimento do molde após 3 s.

Page 24: monografia de fundição

Figura 15 - Preenchimento do molde após 4 s.

Figura 16 - Preenchimento do molde após 5 s.

Page 25: monografia de fundição

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.

Page 26: monografia de fundição

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.

Page 27: monografia de fundição

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.

Page 28: monografia de fundição

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.

Page 29: monografia de fundição

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.

Page 30: monografia de fundição

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

Page 31: monografia de fundição

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.

Page 32: monografia de fundição

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.

Page 33: monografia de fundição

Figura 26 – Demarcação das regiões de mensuramento.

Figura 27- Obtenção da área das regiões demarcadas.

Page 34: monografia de fundição

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:

Page 35: monografia de fundição

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

Page 36: monografia de fundição

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.

Page 37: monografia de fundição

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.

Page 38: monografia de fundição

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 - -

Page 39: monografia de fundição

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

Page 40: monografia de fundição

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

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