Fundição De Al

1 INTRODUÇÃO

O presente trabalho tem por objetivo produzir uma peça pelo processo de fundição com molde consumível de areia verde (que é o processo de moldagem mais barato e simples). Nessa primeira etapa, será feito o processo de fundição da peça com pouco embasamento teórico, utilizando apenas o conhecimento intuitivo e a demonstração feita em aula como base.

Para análise do processo, serão feitos ensaios, na areia preparada, de compactabilidade, permeabilidade e umidade, e os resultados comparados a faixas recomendadas. Será avaliada a relação areia/metal, a quantidade de areia total utilizada e o rendimento metálico, a fim de mensurar possíveis desperdícios de areia e metal. Por fim, será feita a análise metalográfica da peça, a fim de observar e definir a microestrutura do metal fundido, a presença de inclusões e de porosidades, para, assim, avaliar a qualidade do produto obtido.

2 PREPARAÇÃO DA AREIA DE MOLDAGEM

A areia utilizada para fabricação do molde foi disponibilizada pela universidade e a mesma já foi utilizada na fabricação de outras peças, o que pode torna mais possível a presença de impurezas e finos. Também a areia já estava misturada com a argila (bentonita).

Coletou-se a areia, que foi peneirada a fim de obter maior homogeneidade e então umidificada. Antes da umidificação foi medida a massa de areia coletada, que foi de 42 kg, se descontada a tara do recipiente, de 4,5 kg, conforme se observa na Figura1. O processo de umidificação foi realizado num misturador, apresentado na Figura 2, de forma gradual. Adicionava-se água e avaliava-se empiricamente a escoabilidade e consistência da areia, até que se atingiu um nível considerado bom. A massa de água adicionada foi de 0,8 kg.

Após esse processo, foram feitos os ensaios na areia produzida. Primeiramente foi feito o ensaio de compactabilidade num martelete semelhante ao da Figura 3, segundo norma NBR 12107, onde se preenche um recipiente cilíndrico apenas pela ação da gravidade (ou seja, sem exercer nenhuma força de compressão), de diâmetro 50 mm, de volume padronizado, com a areia misturada até o limite, e depois se baixa três vezes o punção, compactando a areia dentro do cilindro, e mede-se o percentual de compactação na escala graduada do equipamento. O resultado obtido nesse teste de 58% de compactabilidade. A faixa recomendada é entre XX% e XX%.

Figura 1 – Medição da massa de areia preparada.

Figura 2 – Misturador utilizado para mistura e homogeneização da areia com a água.

Posteriormente foi feito o ensaio de permeabilidade, num equipamento chamado permeâmetro, semelhante ao da Figura 4, conforme norma NBR 12634. O ensaio consiste em posicionar a areia de prova, no mesmo recipiente cilindrico que foi utilizado para análise de permeabilidade, na base do equipamento e elevar o domo até a altura máxima do cilindro e depois de soltar, então o domo, trabalhando como um pistão pressiona o ar que vai sendo liberado na base da amostra, gerando um resultado final, no caso do presente grupo, de 400 AFS, para um orifício de saída de ar de 1,5mm.

Análise de umidade

Para análise de umidade presente na peça, como o equipamento principal encontra-se em fase de conserto, foi-se utilizado um método mais extenso onde foi feito passo a passo cada etapa. Foi selecionada uma parte da areia que esteve em análise de compactabilidade e acondicionada em um pequeno recipiente com tara de 1,2412g. Em uma balança analítica, isolada do ambiente com vidro, foi pesada a areia úmida, marcando um peso inicial de 14,6365g, ou seja, 13,3953g de areia úmida. O recipiente com a areia foi posicionado dentro da estufa, e esta ligada a 130º, e reservada ali em um período de 30min. Quando finalizou este tempo, o recipiente com a areia foi deixado durante 30min em uma cúpula contendo sílica que tem por fim absorver a umidade e o calor, conforme demonstrado abaixo.

Figura 5 – Cúpula com sílica para desumificação

Depois de desumificada, a areia foi levada rapidamente para a balança outra vez, para que não absorvesse umidade significativa no trajeto. O peso final, conforme indicado na figura abaixo, ficou em 14,2492g, tendo então um total de 13,008g de areia.

Figura 6 – Areia em processo final de análise de umidade

3 CONFECÇÃO DO MOLDE

Com a metade do modelo posicionado sobre a mesa do laboratório e dentro do quadro de moldagem, foi-se espalhado pó de grafite, que tem por fim auxiliar na desmoldagem da peça, sobre toda superfície do modelo. Em seguida, com a peneira menor, espalhou-se areia misturada até cobrir toda a área antes coberta de grafite. O restante da areia foi sendo depositado e prensado conforme foto abaixo.

Figura 7 – Prensagem da areia no molde inferior

Quando finalizada esta etapa, houve então a homogeneidade de toda superfície do lado onde foi prensado, utilizando uma régua para este fim, para que ficasse nivelada quando esta estivesse sobre a superfície da mesa, evitando desnivelamentos e assimetrias.Assim, a caixa foi posicionada com o lado do modelo para a parte de cima e posicionado o outro quadro sobre.

Antes de iniciar o processo de fabricação do molde superior foram-se definidos os canais, um para entrada do metal fundidocomo também um segundo que o grupo posicionou como objetivo de saída de gases e parte do alumínio fundido, escolheu-se também o formato que teriam ambos os canais. Foram determinados formatos cônicos e selecionados no armário do laboratório e também selecionados dois apoios para formar o L da abertura do molde até a superfície.A caixa do molde superior foi posicionada sobre o molde inferior e a outra parte do modelo foi então posicionada na parte que estava dentro da parte inferior do molde e, com o auxilio de um dos integrantes do grupo apoiando os modelinhos de canais. A segunda parte do modelo foi coberta então de pó de grafite e areia peneirada, e repetido o processo de adicionar o restante da areia dentro do quadro do molde, prensando as camadas até atingir o volume todo do quadro. Na foto abaixo pode-se ver o molde pronto, com os canais modelos no local ainda.

Fugira 8 – Posicionamento e finalização da prensagem do molde

Depois de finalizado este processo, foram removidos os canais modelo e aberto o molde ao meio. Com o auxilio de uma chave T com rosca na extremidade, as bipartições do modelo foram retiradas com cuidado e com o dedo foi-se ajustando os canais de entrada do metal. Então partiu-se para o processo de posicionamento do macho de silicato com CO2, com formato cilíndrico, pré- confeccionado pelo laboratorista e finalizado com as medidas adequadas pelo grupo. Com o macho já na posição correta, posicionou-se novamente a parte superior do molde e assim finalizando, foi-se adequadas as entradas dos canais, alargando-as para melhor derramamento do metal líquido.

4 VAZAMENTO DO METAL NO MOLDE

Figura 7 – Metal sendo fundido no molde

Depois de posicionado o molde próximo ao forno, alumínio fundido, tendo atingido uma temperatura de 720ºC, foi vazado no canal de entrada da peça (procedimento realizado pelo laboratorista). Após o resfriamento da peça que durou em torno de 30min, foi aberto o molde e, com o auxilio de um martelinho, removeu-se a areia e a peça dos quadros. A utilização de luva, avental e perneiras de raspa foram feitas desde o inicio da movimentação com o metal líquido.

Figura8 – Peça em processo de desmoldagem

Figura 9 – Peça final desmoldada

Figura 10 – Detalhe dos dentes da peça fundida

A peça, depois de resfriada completamente, foi pesada, juntamente com os canais, tendo um peso final de 2,3 Kg. Foi então levada à oficina de usinagem, onde foi solicitado o cortede uma das partes da peça, mais precisamente, o dente da engrenagem, para posterior análise metalográfica.

A separação da areia foi realizada no término do processo de fundição, reorganizando a sala e a deixando limpa novamente.

5 ANÁLISES

5.1 Ensaio Metalográfico

Esta análise tempor fim analisar o número de fases e quais fases presentes no alumínio fundido pelo grupo, como também analisar as inclusões e o aparecimento de porosidade e quantifica-las utilizando o analisador de imagens “Imatool”, podendo assim quantificar o número de poros por área analisada, tamanho de poros nestas áreas e também a área total utilizada pelos poros por área analisada.

Com a obtenção de uma parte da peça, através do corte desta feito no laboratório de usinagem, realizou-se o embutimento da amostra em pó acrílico – resina – e polimerizador dentro de um modelo de metal em formato cônico metálico. Depois de posicionado dentro da capela e solidificada a resina, retirou-se o modelo de metal e então a amostra passou por processo de planificação da superfície na lixa rotativa. Após isto, a amostra foi lixada com as lixas 320,400, 500, 600 e 1200, e então passada para o disco giratório de polimento até remoção total dos riscos na superfície, esta foi então limpa com álcool e seca a ar quente.

Figura 11 – Parte final de polimento da amostra

Ainda sem ataque,, a peça foi prensada em uma base pequena de metal e analisada em microscópio. Foram capturadas algumas imagens da superfície sem ataque. Voltou – se para a fase de preparação da superfície e esta foi atacada comNital novamente analisada em microscópio. Foram capturadas imagens da superfície com ataque também.

Análise Metalográfica

6 AÇOS DE ALTA LIGA

Os aços de alta liga, ou seja, aços com grande teor de elementos de liga em sua composição, têm algumas propriedades bastante particulares, em relação aos outros aços.

Devido ao alto teor de elementos de liga presentes em suas composições, as curvas TTT desses materiais são deslocadas muito para a direita, ou seja, o tempo para início das transformações de fase é muito maior, e também muito mais demoradas as transformações, o que representa uma altíssima temperabilidade. Por outro lado, a solidificação desses materiais na aciaria deve ser muito controlada,poresse mesmo motivo, pois podem facilmente formar martensita, e também para se conseguir uma boa solubilização dos elementos de liga, que se existem em grandes quantidades.

Os tratamentos térmicos de normalização e recozimento, principalmente, são feitos com velocidades de resfriamento muito menores, o que faz, também, com que os mesmos sejam mais demorados. A normalização, que nos aços de baixa liga é feita geralmente ao ar, nos aços de alta liga faz-se dentro do forno, pois ao ar muitos formam martensita. Outro diferencial nos tratamentos térmicos desses aços é a temperatura de austenitização, que passa de faixas próximas a 860°C para faixas próximas de 1000°C. O tempo de revenimento, que para os aços comuns é de uma hora de patamar de temperatura, nos aços de alta liga chega a três horas de patamar.

6.1 AÇOS FERRAMENTA

Os aços ferramenta geralmente são fornecidos no estado recozido por esferoidização. Dessa forma, se consegue baixar a dureza e aumentar a ductilidade, dando condições para a conformação, e a usinabilidade, que são seguidas de têmpera. O recozimento é geralmente feito pelo método da esferoidização, dissolvendo a cementita e parte dos carbonetos primários, transformando-os em pequenos carbonetos secundáriosesferoidizados.

A classificação dos aços ferramenta não é feita pela composição e não segue uma única lógica. Pode ser feita pelo meio de têmpera (W - water, O - oil e A - air), pela resposta à têmpera (D-deep, profundo), pelos elementos de liga predominantes (M - molibdênio e T - tungstênio, sendo esses conhecidos como aços rápidos, por serem utilizados para usinagem de alta velocidade, devido ao fato de perderem muito pouca dureza com o aumento da temperatura gerada no processo) ou pela aplicação (H - hot, trabalhos a quente, S - shock, impacto e P - matrizes para processamento de polímeros).

6.2 AÇOS INOXIDÁVEIS

Os aços inoxidáveis são aços que tem como característica principal a resistência à corrosão. O elemento de liga principal nesses aços é o Cromo, que tem teor sempre maior que 11%. Em geral, são aços de baixo a médio carbono. São divididos em três grupos principais, de acordo com a microestrutura: ferríticos, austeníticos e martensíticos. Os ferríticos possuem, de forma geral, muito baixo teor de carbono (na ordem de 0,08%) e cromo maior que 11%. Os austeníticos possuem também muito baixo teor de carbono (na ordem de 0,12%), cromo maior que 11% e níquel na ordem de 8%. Além disso, possuem a característica de serem não magnéticos, devido à microestrutura ser formada por austenita, exceto quando encruados. Os martensíticos tem teor de carbono de baixo a médio (entre 0,2% e 0,5%) e cromo maior que 11%.

Os aços inoxidáveis austeníticos e os ferríticos não são temperáveis devido ao teor de carbono ser muito baixo. Quanto à resistência mecânica, os melhores são os martensíticos, seguidos dos ferríticos e dos austeníticos, nessa ordem. Quanto à resistência à corrosão, a ordem é inversa à anterior. São fornecidos geralmente no estado solubilizado ou recozido. Os martensíticos podem ser fornecidos também temperados e revenidos.

7 METODOLOGIA

Amostras já embutidas e planificadas de alguns materiais foram dadas às duplas. As mesmas foram, então, lixadas com lixas de SiC, resfriadas e lubrificadas à água, na sequência de granulometria 220, 320, 400, 500, 600 e 1200, e depois polidas em politrizes manuais, utilizando-se pasta de alumina 0,3 μm ou pasta de diamante 1 μm (escolhidas aleatoriamente de acordo com a disponibilidade). Foi feita a análise microscópica pelas duplas, das suas amostras sem ataque químico. Então, estando as amostras identificadas na resina, foram atacadas com diferentes reagentes. A Tabela 1 mostra o reagente usado para o ataque e a composição química média de cada material.

Tabela 1 – Materiais analisados e suas respectivas composições químicas médias e reagente utilizado para o ataque químico.

Material C Mn Cr Mo V W Ni Co Reagente

AISI D2 1,5 0,3 12,0 0,95 0,90 - - - Nital 2%

AISI D6 2,1 0,3 11,5 - 0,20 0,70 - - Nital 2%

AISI H13 0,4 0,35 5,0 1,5 0,90 - - - Nital 2%

Inox FerríticoAISI430 0,12 1,0 16 - 18 - - - - - Marble

Inox AusteníticoAISI304 0,08 2,0 18,3 - - - 8,5 - Agua-Régia

Inox MartensíticoAISI410 0,10 1,0 12,0 - - - - - Vilella

AISI 52100 1,0 0,35 1,45 - - - - - Nital 2%

AISI T5 0,8 0,30 4,0 0,80 2,0 18,0 - 8,0 Nital 2%

AISI O1 0,95 1,25 0,5 - 0,12 0,5 - - Nital 2%

Depois as amostras foram levadas ao microscópio ótico para análise das microestruturas.

8 RESULTADOS E DISCUSSÕES

As fotografias a seguir mostram as microestruturas obtidas através da análise ao microscópio ótico das amostras.

Fotografia 1 e 2 – Microestruturas dos aços AISI D2 e AISI D6, respectivamente.

Fotografia 3 e 4 – Microestruturas dos aços AISIH13 e inoxidável ferrítico, respectivamente.

Fotografia 5 e 6 – Microestruturas dos aços inoxidável austenítico e inoxidável martensítico, respectivamente.

Fotografia 7 e 8 – Microestruturas dos aços AISI 52100 e AISI T5, respectivamente.

Fotografia 9 – Microestruturas do aço AISI O1.

O aço AISI D2 (fotografia 1) está no estado de fornecimento: recozido por esferoidização. Sua microestrutura apresenta ferrita, carbonetos primários (espaços claros maiores) e carbonetos secundários esferoidizados. O aço AISI D6 (fotografia 2) apresenta as mesmas características do aço AISI D2, porém com maiores carbonetos primários. Possui maior resistência à abrasão que o AISI D2, porém menos tenacidade.

O aço AISI H13 (fotografia 3) foi temperado e apresenta martensita e carbonetos dissolvidos em sua microestrutura. O aço inoxidável ferrítico AISI 430 (fotografia 4) está no estado recozido e apresenta ferrita (fundo claro) e carbonetos em sua microestrutura. O aço inoxidável austenítico AISI 304 (fotografia 5) estado no estado solubilizado e apresenta austenita (fundo claro) e carbonetos dissolvidos na sua microestrutura. Observam-se também maclas de recozimento (linhas paralelas) na microestrutura. O aço inoxidável martensítico AISI 410 (fotografia 6) foi temperado e apresenta martensita e carbonetos em sua microestrutura.

O aço AISI 52100 (fotografia 7) foi temperado e revenido. Apresenta em sua estrutura martensita revenida e carbonetos. Uma característica interessante desse aço é que ele é classificado como aço para construção mecânica, apesar de ter características muito semelhantes a alguns aços da série W (W1 e W2). Isso o torna mais barato e por esse motivo ele é usado como aço ferramenta. O aço AISI T5 (fotografia 8) também foi temperado e revenido. Sua microestrutura constitui-se de martensita revenida e carbonetos primários e secundários (parte clara).

O aço AISI O1 (fotografia 9)está no estado de fornecimento: recozido por esferoidização.Apresenta em sua microestrutura ferrita (fundo claro) com carbonetos esferoidizados.

A Tabela 2 mostra as principais aplicações dos materiais analisados, segundo tabela do fornecedor.

Tabela 2 – Aplicações dos materiais analisados.

Material Aplicações

AISI D2 Usado em ferramentas que exigem alta abrasão, como: matrizes para estampar e cunhar, rolar roscas, repuxamento e centros para tornos.

AISI D6 Extrema estabilidade dimensional. Excepcional resistência à abrasão e máxima estabilidade de gume, ideal para corte de chapa siliciosa. Também usado para revestimentos de moldes cerâmicos.

AISI H13 Matrizes e punções de forjamento, matrizes de recalcamento à quente, insertos para matrizes. Moldes e componentes de máquinas de fundição sob pressão de ligas de zinco e alumínio. Matrizes de extrusão de alumínio, latão e magnésio. Mandris e outros componentes de extrusoras. Facas de tesouras à quente.

Inox Ferrítico AISI 430 Componentes de aparelhos domésticos, construção civil, chapas refletoras. Equipamentos de engenharia e indústria química. Fins decorativos onde se necessita resistência à corrosão. Peças para queimadores de óleo. Equipamentos para refinarias. Parafusos e porcas para meios agressivos.

Inox Austenítico AISI 304 Aço inoxidável de uso geral. Usado em instrumentos hospitalares, entre outras aplicações.

Inox Martensítico AISI 410 Alta resistência mecânica e morada resistência à corrosão. Utilizado para válvulas e hastes de registros para vapor, porcas, parafusos e prisioneiros da indústria de petróleo.

AISI 52100 Aço para rolamentos e ferramentas para trabalho à frio, como brocas e alargadores. Ferramentas e para extrusão à frio. Rolos de laminação à frio.

AISI T5 Ferramentas de usinagem de alta velocidade.

AISI O1 Ferramentas de corte, especialmente machos, cossinetes, brocas, punções, facas de alto rendimento para corte de papel, ferramentas para trabalho em madeira. Também indicado para pinos de guia, roletes para laminar roscas, estampos e matrizes em geral, instrumentos de medição, como calibres, padrões, réguas, etc.

9 DISPOSIÇÕES FINAIS

As microestruturas foram analisadas com sucesso e pôde-se aprender mais sobre as características e aplicações dos aços de alta liga. Quanto ao aço 52100, percebeu-se que, mesmo sendo classificado como aço estrutural, é capaz de substituir com eficiência determinados aços ferramenta por um preço muito menor, gerando custo menor ao produto final.

10 REFERÊNCIAS

CHIAVERINI, Vicente. Aços e Ferros Fundidos: características gerais, tratamentos térmicos, principais tipos.7. ed. São Paulo: Associação Brasileira de Metais, 1996.

COLPAERT, Hubertus. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 4. ed. São Paulo: Editora Blucher, 2008.

GERDAU. Aços Inox Gerdau.1 Tabela.

INFOMET.Aços Rápidos. Disponível em: http://www.infomet.com.br/acos-e-ligas-conteudo

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VILLARES METALS. Aços Especiais de Alta Liga e de Construção Mecânica.1 Tabela.