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PARA O CURSO DE MECANICA: PROCESSOS DE SOLDAGEM.PARA A AULA PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
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Processamento dos Materiais 1
PROFESSOR OTÁVIO C. GAMBONI
Formas de avaliação• 2 provas teóricas
• 1 seminário sobre conformação em chapas
• Listas de exercícios a serem entregues valendo ponto
• Nota de participação/comportamento em sala de aula
Por que estudar os meios de processos de materiais metálicos?
Propriedades desejadas
MicroestruturaProcessamento
Composição química
ProcessosFundição: Liga metálica é fundida e vazada em um molde, onde se solidifica com a forma total ou parcial da cavidade do molde. Peças com geometrias complexas podem ser fabricadas por fundição.
Conformação: Uma carga é aplicada sobre peças de geometria simples, obtendo geometrias mais complexas. Normalmente utiliza-se matrizes como ferramentas.
Metalurgia do pó: Processos de compactação e sinterização. Aplicada à peças pequenas como ferramentas, engrenagens, filtros e etc.
Soldagem: União de duas ou mais peças. Processo muito utilizado pela indústria aeronáutica, naval e etc. Além de fabricar peças, a solda também é um processo de manutenção.
Usinagem: Utilizam-se ferramentas de corte para remoção do material, onde, o que restante tem a geometria desejada da peça.
MinériosEx: Hematita (Fe2O3), Bauxita (Al2O3), Cassiterita (SnO2)
Metais e LigasEx: Fe-C, Al, Al-Si, Cu, Ni, Sn
Lingotes e placas
Pó metálico
Peça semiacabadaEx: pistões,
engrenagens
Produtos primáriosEx: Chapas, barras,
trilhos, etc
Peça semiacabadaEx: portas de carro,
martelos, parafusos, etc
FundiçãoEstado líquidoSolidificação;
Processos de lingotamento
Estado sólido
Processos de moagem
Deformação plástica;Ex: Laminação e extrusão
Deformação plástica;Ex: Forjamento
Produto FinalEx: peças de carro e
de aviões
Processos de atomização
Fusão e solidificação;Processos de fundição
Metalurgia do pó:Prensagem (acomodação do pó)Sinterização (difusão)
Redução
Usinagem e/ou tratamento térmico
Usinagem e/ou tratamento térmico
Principais Processos de Fabricação
Fundição
Fusão do metal
Metalurgia do Pó
Compactação e Sinterização
Usinagem
Com perda de material por usinagem
Ferramentas de corte (cavaco)
Conformação
Sem perda de material
“Deformação plástica”
Quente Frio
Soldagem
União de componentes
Principais processos de fabricação
Processo de Fundição
Vídeo de introdução – teleaula 2 telecurso 2000
Etapas do processoDesenho técnico da peça
Modelo Areia preparada
Molde
Conjunto fundido Areia usada
Metal líquido
Canais e massalotes
Peça semi-acabada Peça acabada
Sucata
Modelagem
Moldagem e macharia
Recliclagem
Vazamento e solidificação
Desmoldagem
Corte
Fusão
Rebarba e limpeza
Controle de qualidade
Fundamentos
Como você faria para fabricar gelos em forma de pinguins?
1. Precisamos saber qual o formato do pinguim...
2. Precisamos de um modelo do pinguim...
3. Precisamos de um material para fazer a forma com o formato do pinguim...
4. Precisamos de água para encher a forma, e...
5. Congelamos a água para formar os pinguins e alegrar a nossa festa!
O que os pinguins têm a ver com a fundição?Os fundamentos e as necessidades são EXATAMENTE as mesmas!!!!
• O gelo em forma de pinguim é o PRODUTO DE FUNDIÇÃO.
• O pinguim é o MODELO.
• A forma de gelo é o MOLDE.
FusãoTransformação do estado sólido para o líquido. No caso da fundição, sucata e metais bases sãoliquefeitos e misturados a fim de formar as ligas metálicas com Composição Química (CQ)rigorosamente controladas.
Importante saber exatamente a concentração de cada componente dentro dos metais a seremvazados. Quando utiliza-se sucatas, o controle passa a ser crítico análises químicas domaterial fundido (espectroscopia de emissão ótica ou de raios-X).
Fusão é realizada em fornos:◦ Cubilot
◦ Arco elétrico
◦ Indução
Forno cubilot – fundição de ferro
Escória
Metal líquido
Soprador de
Ar
-Ferro gusa
-Sucata
-Coque
-Ferros
-Liga fundente
Tampa
Panela de
espera
Forno vertical com revestimento refratário. Forno a carvão.Ferro guso é o produto da primeira redução do minério de ferro, dentro do alto-forno, ~ 5% de C.
• Carregamento periódico:• Gusa + sucata de aço + ferro ligas +
fundente (calcário) + carvão (coque)
• Ferro é carregado com camadas alternadas defundente e carvão
• Sopradores de ar quente garantir umaelevada temperatura da chama e retirar oexcesso de C do ferro gusa, fazendo o refino.Excesso de ar causa solidificação do metal noscanais.
• Escórias ficam na superfície (escoreador) e ometal líquido é recolhido na panela.
Forno cubilot
Chaminé: saída de gases (fumaça)provenientes da queima do carvão;
Câmara de fagulhas: recolhimentodas fagulhas evitando sua saída
poderia causar incêndios
Cortina d’água: apaga as fagulhas
Fornos à energia elétrica
A arco elétrico.
Câmaras com dimensões de 3 a 7 m de diâmetro;
Calor gerado por eletrodos de grafita de diâmetro de 15 a 50 cm;
Capacidade para 0,5 a 180 toneladas de metal;
Podem trabalhar com sucata e possibilitam um bom controle da CQ (pode-se interromper o processo para corrigir a CQ).
Vantages: Altas temperaturas e melhor produtividade
Distribuição da sucata no forno a arco elétrico
Sucata leve para
permitir uma rápida
penetração dos
eletrodos
Sucata leve/média que
permita a penetração
da chama dos
maçaricos + cal
Sucata média/pesada
com tamanho limitado
para evitar a quebra
dos eletrodos
Sucata pesada
colocada abaixo do
nível dos eletrodos
Sucata de chapa leve
para amortecer o
impacto da sucata
pesada e facilitar a
rápida formação do
banho
Forno de indução eletromagnéticaCorrente alternada gera um campo magnético que, por sua vez, cria uma corrente cíclica nomaterial, aumentando sua temperatura até a temperatura de fusão.
Pode trabalhar sob vácuo vantagem: baixaoxidação e produção de bolhas.
Temperatura de trabalho: 600 a 1750 °C
Agitação do metal fundido homogeneização
Vídeo Telecurso 2000Vídeos sobre os fornos
Vídeo sobre a produção de aços
Problemas durante a fusão: bolhas e escória
Bolhas de gases rejeitadas pelo metal durante a solificaçãodão origem aos poros reduzem drasticamente aspropriedades mecânicas do material.
Alternativas:• Temperatura de fusão mais baixa possível• Cuidado durante o vazamento• Molde com permeabilidade e canais para escape de gás• Uso de vácuo• Bolhas de gás inerte são inseridas no metal fundido• Reação das bolhas com algum outro composto de
menor densidade produto da reação pode serretirado na escória
Escória – “semelhante” à nata do leite Resultado da reação entre o metal fundido e o ambiente. Oxigênio e metal reagem formandoóxidos, produto com menor densidade que tendem a “boiar” no banho. Porém, podem serlevados para dentro do material fundido defeitos!
Alternativas:
• Proteger a superfície do metal do contato com a atmosfera
• Realizar o vazamento sob vácuo ou atmosfera inerte
• Aglomeração dos óxidos na superfície do metal e posterior vazamento pela parte inferior dapanela (cadinho).
• Uso de filtros cerâmicos para impedir a passagem das impurezas para dentro do molde
Escória de ferro fundido
A escória é o subproduto sólido neste processo; éproduzida em maior volume do que o próprioferro-gusa. Ela provém dos silicatos, carbonatos ealuminatos que acompanham todo minério. Suaestrutura é má definida (isto é, grande parteamorfa ou micro-cristalina) e a composição variaconsideravelmente.
Apresentam principalmente: CaO, Al2O3 e SiO2
Composição da escória:
As vezes é adicionado CaCO3 à escória produção de mais CaO indústria de cimento alto valor agregado!
Modelos e moldes – etapa de moldagemModelo: mesma geometria que a peça (dimensões aproximadas)
Molde: recipiente na qual é vazado o metal líquido (contém a cavidade na forma do modelo)
Características de um bom moldeResistência mecânica e erosiva suficiente para suportar a pressão e erosão do metal líquido queescorre sobre ele;
Produção de uma menor quantidade possível de gás impedir contaminação do metal e/ourompimento do próprio molde durante o processo de vazamento;
Permeabilidade suficiente para permitir a saída dos gases produzidos ;
Refratariedade suportar altas temperaturas;
Deve permitir a contração da peça;
Descartáveis: areia, cerâmicaPermanentes: coquilha (metal)
Fundição em areiaMais utilizada na indústria: mais barata, pode ser reciclada e bem fácil de ser utilizada. O molde é quebrado após a solidificação da peça e a areia é reutilizada.
Areia apresenta plasticidade, moldabilidade,elevada dureza, permeabilidade e refratariedade.
Materiais: ferro fundido, aços, ligas de Al, ligas deCu e ligas de Mg. Peças de 200 g a 400 t, limite deespessura de 3 a 6 mm.
Aplicações comuns: blocos de motores, cilindrosde laminadores, bombas, etc.
Etapas da moldagem
Moldagem em casca – shell moldingMolde constituído de areia e resina, normalmente fenólica. A cura acontece a quente.
Aditivos:
Hexametileno tetra-amida: realizar ligações cruzadas ncas cadeias do polímero (melhorar propriedades mecânicas do molde).
Estearato de cálcio: melhorar fluidez da areia
Óxido de ferro: evitar trincas térmicas e minimizar geração de gases
Etapas – processo automatizado
1
2
4
3
Vantagens e desvantagens
Vantagens:
• Produção de peças simples e/ou complexas
• Taxa de produção elevada
• Facilmente automatizada
• Alta precisão dimensional
• Ótimo acabamento superficial
• Possibilidade de estocagem de moldes prontos
Desvantagens:
• Alto custo do modelo metálico
• Custo da resina (muitas vezes elevado)
• Gastos com energia para aquecer o modelo e o molde
• Limitação no tamanho das peças (necessidade de cascas muito grandes)
Fundição de precisão – molde cerâmicoTambém conhecido como microfusão ou fundição de cera perdida.
1) Modelo é feito de cera, por injeção em uma matrizmetálica.
2) Monta-se o cacho pelo canal de alimentação,formando a árvore.
3) Mergulha-se a árvore na lama refratária e o materialendurece ao ar.
4) O material do molde endurece e o modelo éderretido. (cera líquida é recolhida e pode serreaproveitada)
5) Molde aquecido e recebe o metal líquido porgravidade.
6) Após a solidificação, os moldes são quebrados e aspeças podem ser retiradas.
7) Cortam-se as peças das árvores e faz-se a limpeza erebarba das peças fundidas
Vantagens e desvantagensVantagens:
• Produção em massa de peças contendo geometrias complexas
• Reprodução de detalhes precisos (canto vivo ou parede fina)
• Possibilidade de fundir qualquer tipo de metal
• Peça sai praticamente acabada, sem qualquer tipo de usinagem
• Controle de propriedades mecânicas e dimensional muito bom
• Pode-se utilizar atmosfera protetora ou sob vácuo
Desvantagens:
• Crescimento de grãos em peças grandes (perda de propriedades mecânicas)
• Limitação no tamanho e peso das peças a serem fundidas: no máximo 5 kg
Vídeo Telecurso 2000Teleaula 3 e vídeo sobre fundição de precisão
Moldes permantentes
Utilizam-se moldes feitos de aço ou ferro fundido. Podem ser reutilizados e chegam a produziraproximadamente 100 mil peças. Aplicado para fundir ligas com ponto de fusão abaixo do pontode fusão do aço, ou do material de fabricação do molde. Ligas de Al, Pb, Mg e Zn podem serfundidas com moldes permanentes.
Apresentam maior uniformidade, melhor acabamento, um bom controle dimensional emelhores propriedades mecânicas. Porém, o custo dos moldes permanentes limita sua utilizaçãopara pequenas produções.
Necessita de canais de vazamento de gases – metal não permite o escape dos gases da mesmaforma que a areia.
Aplicações: pistões, cabeçotes de cilindros e etc.
VazamentoMaterial fundido deve preencher todas as partes da cavidade do molde. Defeito comum é faltarmaterial fundido e a peça ficar incompleta. Parâmetro importante é a fluidez. A fluidez depende daCQ, da temperatura de fusão e principalmente do superaquecimento.
Superaquecimento é um indicativo de quantos graus acima da temperatura de fusão o metal está.Quanto maior for o superaquecimento, maior será a fluidez.
Temperatura de vazamento: se muito baixa, pode fazer com que o metal se solidifique antes da hora.Se muito alto, pode apresentar problemas como:
• Aumento no uso de energia
• Reação mais acelerada entre o metal e o molde
• Fluxo turbulento durante o preenchimento do molde
• Aumento da solubilidade do gas no metal
• Aumento da oxidação
Sistema de alimentação
O metal é vazado pelo bocal (ou bacia) de alimentação canal de descida canal dedistribuição armadilha para escória cavidade da peça
A quantidade de metal gasta para fazer os canais e massalotes pode chegar ao mesmo volumeda peça final. Objetivo é que o metal fundido preencha todas as cavidades da peça.
Software de simulação chamado MAGMA auxilia na confecção do sistema.
Vazamento por gravidade
Processo automatizado – produção de grande volume de peças. Retirada de peça dos moldesdeve ser facilitada (molde particinado). Moldes permanentes devem ser limpos antes de receberum novo metal vazado. Importante lubrificar os moldes para facilitar a retirada do fundido.
Resfriamento é rápido – estrutura refinada de grãos.
Uso de moldes permanentes...
Vantagens e desvantagensVantagens:◦ Molde pode ser usado até 250 mil vezes
◦ Boa precisão dimensional
◦ Resfriamento rápido – estrutura refinada Boas propriedades mecânicas
◦ Molde pode ter cavidade para mais de uma peça
Desvantagens:◦ Alto custo do molde
◦ Limitação da forma, tamanho e complexidade da peça
◦ Limitação da vida útil do molde para metais com elevado ponto de fusão
Vazamento sob pressãoUm pistão empurra o metal líquido para dentro da matriz a fim de preencher totalmente acavidade. A pressão é mantida também, durante a solidificação.Dois tipos: câmara fria e câmaraquente.
Pressões em câmara quente são menores que as utilizadas em câmara fria. Também, podem ser processadosa quente, apenas ligas de baixa temperatura (Zn, Sn,Pb e Mg). A frio, além destas, ligas de Al também podemser fabricadas.
Vantagens e desvantagensVantagens:◦ Bom acabamento superficial
◦ Excelente precisão dimensional
◦ Economia para grandes lotes de produção
◦ Consegue confeccionar peças com geometrias complexas e paredes finas
Desvantagens:◦ Alto custo do molde e do equipamento
◦ Limitação à ligas não ferrosas
◦ Peças pequenas, até 5 – 10 kg
◦ Dificuldade para saída dos gases porosidade
◦ Temperatura até 1083 °C, aproximadamente
Vazamento por centrifugaçãoMetal fundido é vazado enquanto o molde está em movimento rotacional.Heterogeneidade microestrutural na espessura da parede.
Ótimo rendimento de material, visto que não necessita de canal de alimentação e nem de massalotes.
Muito utilizada para produção de tubos sem costura, vasos de pressão, cilindros de laminação, etc.
Tubos bimetálicos são fabricados por este processo de fabricação:
- Aço de baixo teor de carbono na parede externa e aço inoxidável ou superligas na parte interna: tubulações para materiais corrosivos.
Movimento
Vantagens e desvantagensVantagens:
• Solidificação e contração acontecem de forma homogênea – de fora pra dentro
• Porosidade é bem menor do que a fundição estática
• Processo rápido e barato produtos com preços mais competitivos
• Uso de um menor espaço físico
Desvantagens:
• Limitação da peça
• Energia para fazer a rotação do molde
Vídeo fabricação de tubosTubos sendo fabricados via fundição por centrifugação
- Tubos sem costura – já saem prontos
Revisão - ExercíciosO que são os modelos de fundição? De que materiais eles podem ser feitos?
O que são os moldes de fundição? De que materiais eles podem ser feitos?
Quais características os moldes devem apresentar para serem considerados “bons moldes”?
O que são os moldes permanentes? Que tipos de vazamentos podemos utilizar com eles?
Explique como funciona o processo de moldagem em casca (shell moulding).
Explique como funciona o processo de fundição de precisão (cera perdida, microfundição).
Princípio da solidificação e recristalização dos metais
embriões
grãos
Solidificação: nucleação + crescimento
Pode crescer ou redissolver-se no
líquido
Solidificação
Temperatura de solidificação é uma função da CQ.
Transformação do material líquido para o estado sólido. Retirada do calor específico e do calor latente.
Substância pura Mistura (ligas)
Ao contrário do que se pensa, a solidificação não se inicia à temperatura de solidificação.É necessário um super-resfriamento, que age como força motriz para formação da fase sólida.
Nucleação:
• Homogênea: Temperatura do líquido é igual em todos os pontos.Ocorre sem interferência ou contribuição energética de elementosou agentes estranhos ao sistema líquido / metal sólido. Átomoslivres. Muito difícil a sua ocorrência, visto que praticamente todosos metais de uso industriais são ligas. Quanto maior for o super-resfriamento, menor será o r*, ou seja, mais fácil acontecerá anucleação.
• Heterogênea: Ocorre com interferência de impurezas, paredes domolde ou presença de inoculantes. Interferentes diminuem o r*,facilitando a nucleação.
Ex: TiB2 → ligas de Al
TiC → aços
Ocorre quando os embriões (núcleos) são grandes o suficiente (r = rcrítico) para se manter estáveis e crecer.
Super-resfriamentoMaterial Temp. Fusão (°C) Super-resfriamento para nucleação homogênea (°C)
Ga 30 76
Bi 271 90
Pb 327 80
Ag 962 250
Cu 1085 236
Ni 1453 480
Fe 1538 420
NaCl 801 169
CsCl 645 152
H2O 0 40 A água não se solidifica a 0° C!!!
Crescimento planar: metal puro
Considerando o uso de inoculantes -> nucleaçãoheterogênea...
A temperatura da interface líquido/sólido é sempreinferior a do metal líquido. Logo, o crescimento se dá deforma uniforme, na direção contrário àquela em que ocalor é retirado. Qualquer pretuberância que ocorradurante o resfriamento, está cercada por líquido com Tmaior do que Tsolid, logo, o crescimento é interrompidoaté que o crescimento se homogeinize.
O crescimento se inicia na parede do molde.
Calor latente é absorvido pelo molde...
O crescimento é influenciado pela forma como o calor latente é retirado do metal fundido.
Crescimento dendrítico
Ocorre normalmente sob uma baixa taxa de nucleação(sem uso de inoculantes), necessitando-se de um super-resfriamento. Temperatura a frente da interfacesólido/líquido é mais baixa (dado o super-resfriamento).Desta forma, há um favorecimento deste “braço” emcrescer, formando as dendritas.
Super-resfriamento indica quantos graus abaixo datemperatura de fusão, o metal líquido está para sesolidificar. Quanto maior for o super-resfriamento, maiorserá a energia cedida ao sistema para a solidificação.
Mais comum em ligas metálicas.
Calor latente é absorvido pelo líquido...
Resfriamento de ligasCrescimento dendrítico provocado por um gradiente de concentração de soluto na matriz. Eelevadas taxas de resfriamento.
Rejeição do soluto pela fase sólida aumento da concentração de soluto na interface, bloqueando o crescimento homogêneo favorece crescimento
dendrítico
Impede o crescimento planar
Baixas taxas de solidificação, existe tempo paradifusão favorece crescimento planar.
Alta taxa de solidificação, não existe tempopara difusão até interface favorececrescimento dendrítico
Tipos de solidificação
a) Gradiente de temperatura elevado
b) Gradiente de temperatura intermediário
c) Gradiente de temperatura baixo
Inoculacação A inoculação dos ferros fundidos se baseia na introdução de pequenas quantidades de material compostode partículas nucleantes no metal fundido, pouco antes ou durante o vazamento deste, buscandocontrolar a microestrutura final e, consequentemente, as propriedades mecânicas do material.
Aumenta o número de núcloes disponíveis e estáveis a fim de aumentar a taxa de nucleação e refinar otamanho de grão. Tal aumento, diminui o superresfriamento necessário na solidificação.
Normalmente, é utilizada uma quantidade de aproximadamente 0,10% em peso de inoculantes.
Uma quantidade muito grande de inoculantes pode prejudicar resfriamento do banho
Formas de inoculaçãoMais comuns:
A) Inoculação na panela: Inoculante é depositado no fundo da panela e o metal é vazado sobre ele.
B) Inoculação no molde: Inoculante em forma de pó ou pastilha é colocado em um ponto específico do canal de alimentação.
C) Inoculação por “arame recheado”: Utilizado em sistemas automáticos de vazamento. Injeção no metal líquido de um arame contendo inoculante no seu interior.
D) Inoculação no jato: Inoculante em pó é adicionado ao metal líquido no momento do vazamento. Também utilizado em sistemas automáticos.
Curvas de resfriamento
Sem inoculante Com inoculante
Solidificação de lingotesZona coquilhada: nucleação alta devido ao rápidoresfriamento quando o líquido entra em contatocom a parede do molde.
Zona colunar: favorecimento do crescimento degrão na direção da retirada de calor (da regiãomais fria para a mais quente - perpendicular àparede do molde).
Zona equiaxial: grãos equiaxiais aleatoriamentedistribuídos na região central do lingote. Issoacontece quando se usa inoculantes ou umabaixa temperatura de vazamento. Pequenosfragmentos de sólidos que se desprendem dosgrãos colunares também agem como núcleos.
Estrutura de metais fundidos
Ilustração esquemática da estrutura dos fundidos após a
solidificação
a) Metal puro
b) Liga metálica
c) Uso de inoculantes
Refino da estruturaDiminuir a temperatura de vazamento dificulta a difusão freia o crescimento de grão
Inoculantes
Diminuição da temperatura de vazamento
Contração de volume
Problemas...rechupe!
Massalotes
Problema!!! Correto!!!
Massalotes
Porosidade:
Causas: Falta de respiros e demais mecanismos de retirada de gases da peça em processo desolidificação, produção/expulsão excessiva de gases durante resfriamento, baixa permeabilidadea gases do molde em areia, umidade no sistema, baixa temperatura do metal durantevazamento.
Característica – bolhas de gás pequenas e grandes de paredes internas lisas, internas ousuperficiais. Podem originar trincamentos.
Soluções:
◦ Canais de vazamento e saída de gás
◦ Atmosfera sob vácuo
◦ Adição de elementos metálicos para reagir mais facilmente com os gases
InclusõesInclusões de Areia – Causas: Quebra de partes do molde (machos, cantos e detalhesmais frágeis), má compactação da areia no molde, resistência a quente do molde deareia insuficiente, tempo muito longo de vazamento;
Inclusões de Escória - Causas: Resultam do aprisionamento de óxidossuperficiais ou outros materiais estranhos, durante o vazamento; outra causa é a máou falta de limpeza de escória realizada de forma deficiente tanto no forno quanto napanela de vazamento.
Observações:• Frequentemente, as inclusões não aparecem imediatamente, e, somente podem ser vistas claramente após ausinagem da superfície do fundido• Tais defeitos resultam invariavelmente de uma prática de fundição muito pobre
Soluções:• limpeza dos moldes e panelas• limpeza e proteção do banho metálico• substituir o tipo da areia de moldagem, modificar a distribuição e geometria dos canais e, também, se for
possível• diminuir a temperatura do metal, o tempo e a pressão de vazamento.
Macho quebradoMandamentos do macho:
◦ Macho deve ser colocado na posição certa
◦ Deve permanecer na posição certa
Ponto quente
Principais causas: variações abruptasde espessura na peça; localizaçãoequivocada de canais
Soluções: alterar desenho do projeto,utilização de resfriadores, mudarlocalização dos canais
Rebarba
Principais causas: mal fechamento das partesdo molde, abaulamento/empenamento,pressão de vazamento muito alta).
Solução: fechamento/travamento correto.
Rebarba excessiva, ao longo da linha divisória deuma peça de ferro fundido cinzento.
TrincasPrincipais causas:
Geometria complexas taxas de resfriamento diferentes gradientes de tensão gerados durante a solidificação trincas.
Normalmente nucleiam em poros ou outros tipos dedefeitos concentradores de tensão
Choque térmico tembém pode levar à trincas:
Trincas a quente: a cima de 250 °C – opacas (oxidação)
Trincas a frio: abaixo de 250 °C - brilhanteTrinca de contração na mudança de
geometria de uma peça de bronze fundida em areia
Desencontro
Principais causas: Erros operacionais, com desvios dacolocação de diferentes partes do molde durantefechamento; falhas no modelo, com marcações dos machosdesgastadas ou de fixação de diferentes partes soltas,gerando falhas no formato da peça final;
Solução: Treinar e supervisionar fechamento, além deprovidenciar substituição de guias e partes desgastadas.
Desencontro – latão fundido em
areia
Metal insuficiente
Principais causas: molde fechado deslocado causando paredemais fina em determinado local, cálculo equivocado do volumea ser preenchido, canais obstruídos, muito estreitos ou mallocalizados; temperatura de vazamento baixa.
Solução: cuidados no fechamento do molde, checar projeto decanais e temperatura de vazamento.
Peça incompleta – latão fundido
Areia aderida
Principais causas: Má compactação da areia verde,peças muito espessas ou temperatura de vazamentomuito elevada;
Solução: temperatura de vazamento mais baixa,outro tipo de areia de moldagem, menor pressãometalostática.
Areia aderida em peça de ferro fundido cinzento
Defeito Causa Básica Soluções Práticas Soluções de Projeto
Bolhas e vazios Oclusão de gases (a) Aumento dos canais(b) Eliminação de materiais que
possam reagir(c) Desgaseificação
Evitar sistemas de alimentação que tenham alta velocidade de fluxo.
Gotas frias Defasagens direcionais dos fluxos
de metal líquido
(a) Aumento da velocidade de vazamento
(b) Pré aquecimento do molde
Fazer novos arranjos dos sistemas de corrida e de
entrada, e evitar mudanças abruptas de secção.
Trincas de contração
Destacamento do metal sob tensão
térmica
(a) Uso de moldes colapsáveis(b) Controle de gradientes térmicos como resfriadores
Nenhuma
Rebarbas Fluxo de líquido na junção do molde
(a) Diminuição da temperatura de vazamento
(b) Aumento da fixação das caixas do molde
Nenhuma
Inclusões de óxidos Aprisionamento de materiais estranhos
Maior cuidado e limpeza durante a operação de vazamento.
Nenhuma
Cavidades de contração e rechupes
Falta de suficiente alimentação de metal
(a) Promoção de solidificação direcional por controle do fluxo
de calor(b) Aumento da temperatura de
vazamento
Recompor o sistema de alimentação e alívio,
principalmente os massalotes
Vazios por falta de alimentação
Baixa fluidez do metal Aumento da temperatura de vazamento
Reconsiderar posição, tamanho e número de portas de entrada e de
alívio
MoldagemProcessos de fabricação 1
Prof. Otávio gamboni
2
FERRAMENTAIS
Projeto ferramental (modelos + caixas de macho)
Modelo geometria idêntica à peça
Caixa de macho detalhes e cavidades
Medidas compensam contração
Material: madeira, resina, metal, isopor
Ecolab Acabamento, geometria e quantidade
2
3
Moldagem molde: negativo da peça
Moldes: areia, cerâmicos ou permanentes
Areia: areia + aditivos + misturador (manual ou não)
Areia + modelo molde descartável
Fechamento molde + macho + pintura
MOLDAGEM E MACHARIA
3
4
MOLDAGEM
Tipos de moldes
Descartáveis Permanentes
Areia Cerâmico Coquilha
Refrigerada
Não-refrigerada
Verde ou sintética
Silicato/CO2
Cura a frio
Shell-moulding
4
CARACTERÍSTICAS DE UM BOM MOLDE
Resistência mecânica e erosiva suficiente para suportar a pressão eerosão do metal líquido que escorre sobre ele
Produção de uma menor quantidade possível de gás impedircontaminação do metal e/ou rompimento do próprio moldedurante o processo de vazamento
Permeabilidade suficiente para permitir a saída dos gasesproduzidos
Refratariedade suportar altas temperaturas
Deve permitir a contração da peça
6
TIPOS DE AREIA
Areia é constituída por:
SiO2, elementos aglomerantes, aditivos
Controle da umidade
Areia natural: areia encontrada na natureza
Areia sintética: sintetizada artificialmente
Areia de moldagem:
Faceamento e enchimento
Areia de macho: confecção dos machos6
7
CARACTERÍSTICAS DE AREIA
• Plasticidade: aplicar uma força e “deformar a areia”,quando retira-se a força, a forma criada não é alterada.
• Moldabilidade: facilmente moldada, compactada, “socada”• Dureza elevada• Permeabilidade: capacidade de permitir a passagem de
gases através do material• Influência da granulometria• Teor de alomerante• Umidade
• Refratariedade
8
AREIA VERDE OU SINTÉTICA
Menor rigidez não deve ser utilizada para confeccionar machos
Composição: areia, argila e água
Areia pode ser reajustada (antes da moldagem) e reutilizada (após a desmoldagem)
Cuidados:
- Compactar com força- Controlar a umidade- Utilizar tinta a base de grafite aumentar resitência
9
Areia Verde – Vantagens e desvantagens
9
Vantagens:
• Mais barato• Estabilidade dimensional• Menos defeitos• Reutilização da areia
Desvantagens:• Controle da areia é bem crítico• Maior erosão em peças maiores• Acabamento pior em peças maiores• Estabilidade dimensional menor em peças maiores• Baixa resistência do molde
10
ETAPAS DE MOLDAGEM
11
ETAPAS DE MOLDAGEM COM USO DE
MACHOS
12
MOLDAGEM COM SILICATO/GÁS
CARBÔNICO
Silicato de sódio/CO2:
Mistura de areia com o aglomerante silicato de sódio
(Na2SiO3), 2,5 a 6% em peso
Endurecimento curto e à temperatura ambiente
Na2SiO3 +CO2+H2O Na2CO3 + SiO2 + H2O
moldes rígidos utilizado na macharia
Acabamento melhor que aquele obtido com areia verde
ferrosos e não ferrosos
12
13
CURA A FRIO
Uso de resinas fenólicas
Molde rígido passa por reação de polimerização da resina
Elevada resistência pode ser usada na macharia
Resina + catalizador (diversos tipos)
Cura à temperatura ambiente e pouco tempo
Alta resistência a quente
Areia pode ser reutilizada após passar por calcinação (600 °C)
Óxido de ferro pode ser adicionado à areia melhorarresistência a quente
13
14
Areia Cura a Frio – Ideal
Características:
poluir pouco
menor custo relativo
temperatura de cura flexível
boa tolerância à temperatura da areia
compatibilidade com maior nº de tintas
exalar pouco odor na moldagem
tempo de cura adequado ao tamanho das peças
fácil desaglomeração na reciclagem
14
15
Tipos de Areia
Shell moulding (casca):
molde rígido
também em macharia
resina + catalizador
cura a quente
óxido de ferro elevada resistência a quente
boa precisão e acabamento
máquina própria (facilmente automatizado)
modelo metálico aquecido
casca queimada em forno
15
Etapas do processo shell molding
1
2
4
3
Moldes – Shell molding
Placas metálicas são aquecidas até aproximadamente 200 °C
Areia + resina formando a cascaForno aquece esta mistura até
temperatura entre 300 – 400 °C
Espessura dos moldes varia de 10 – 15 cm
Shell molding – Vantagens e desvantagens
Vantagens:
• Estocagem de moldes e machos• Estabilidade dimensional• Acabamento superficial muito bom• Fácil liberação dos gases• Fabricação de peças com geometrias complexas
Desvantagens:• Elevado custo
19
Material Cerâmico
Processo de confecção de moldes em material cerâmico,
com modelos de cera, é chamado de cera perdida,
investimento, microfusão ou fundição de precisão:
molde rígido
ferrosos e não ferrosos
modelo de cêra
banhos de lama cerâmica
cêra retirada em estufa
molde aquecido antes do vazamento
precisão medidas e ótimo acabamento
peças pequenas
processo muito caro e demorado
19
Fundição de Precisão
1) Modelos é feito de cera, por injeção em uma matrizmetálica.
2) Monta-se o cacho pelo canal de alimentação,formando a árvore.
3) Mergulha-se a árvore na lama refratária e o materialendurece ao ar.
4) O material do molde endurece e o modelo éderretido. (cera líquida é recolhida e pode serreaproveitada)
5) Molde aquecido e recebe o metal líquido porgravidade.
6) Após a solidificação, os moldes são quebrados e aspeças podem ser retiradas.
7) Cortam-se as peças das árvores e faz-se a limpeza erebarba das peças fundidas
Utilizada quando a peça que se quer não pode ser obtida por nenhum outro processo de fundição “convencional”
Cera perdida – Vantagens e desvantagens
Vantagens:
• Fabricação de peças em grande quantidade • Mínima tolerância dimensional• Acabamento superficial muito bom• Reprodutibilidade de detalhes (cantos vivos e paredes finas)• Pode fundir peças com materiais difíceis de usinar• Pouca ou praticamente nenhuma usinagem
Desvantagens:• Elevado custo• Ciclos de fabricação longos• Peso limitado
22
Molde Permanente
Moldes permanentes são confeccionados em
materiais metálicos:
Coquilhas metais (ex: ferro fundido)
usados inúmeras vezes
Moldes podem ser fundidos ou usinados
refrigeradas ou não com água após resfriamento da peça
pré-aquecidas diminuir a diferença de temperature entre a peça
e o metal líquido
bom acabamento
granulometria superficial mais fina
22
23
LISTA DE
EXERCÍCIOS1) Qual a definição do processo de industrialização por
fundição?
2) O que é nucleação homogênea e nucleação heterogênea?
3) Quais as condições para o crescimento planar e para o
crescimento dendrítico?
4) Quais os fatores que devem ser levados em conta no
projeto de peças fundidas?
5) O que é o ferramental de fundição? 23
24
LISTA DE
EXERCÍCIOS7) Para que servem as luvas exotérmicas e onde devem ser
colocadas?
8) Quais os tipos de moldes? O que os diferencia?
9) Quais os tipos de areia de moldagem mais utilizadas?
Qual é a menos rigida e que não serve para macharia ou
para moldar peças de aço?
10)Qual o processo de fundição mais caro, utilizado para
produzir peças com alta precisão dimensional? Escreva o
que sabe sobre ele.
11)O que são coquilhas? Para que servem?
12)Qual o objetivo principal de se adicionar elementos de liga
no aço?
24
Processos de
FABRICAÇÃO I
Prof. Otávio Gamboni
Principais Processos de Fabricação
Fundição
Fusão do
metal
Metalurgia do Pó
Compactação e Sinterização
Usinagem
Com perda de material por usinagem
Ferramentas de corte (cavaco)
Conformação
Sem perda de material
“Conformação plástica”
Quente Frio
Soldagem
Reparo de defeitos
Manutenção
União de componentes
2
3
CONFORMAÇÃO PLÁSTICA DOS METAIS
4
CONFORMAÇÃO PLÁSTICA DOS METAIS
Processos de Conformação
Conformação de Volume
Laminação
Forjamento
Extrusão
Trefilação
Conformação de Chapas
Corte
Dobramento
Calandragem
Rebordeamento
Prensagem
5
CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO
6
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
Deformação permanente sofrida pelo material;
Após o limite de deformação elástica ser alcançado;
Deslizamento de planos cristalinos uns em relação aos
outros.
7
CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO PLÁSTICA
Compressão direta
• Forjamento;
• Laminação.
Compressão indireta
• Trefilação;
• Extrusão;
• Estampagem;
Trativo
• Estiramento.
Dobramento
• Calandragem.
Cisalhamento (há ruptura)
• Corte.
8
A Quente
• Executado em temperaturas acima de 0,5Tf ;
A Morno
• Executado na faixa compreendida (grosseiramente) entre 0,3 e 0,5 Tf ;
A Frio
• Executado entre 0 e 0,3 Tf.
CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO PLÁSTICA
Temperaturas típicas de recristalização de metais
Material Temp de fusão (ºC) Temp de recristalização(ºC)
Sn 232 -4
Pb 327 -4
Zn 420 10
Al 660 150
Mg 650 200
Ag 962 200
Cu 1085 200
Fe 1538 450
Ni 1453 600
Mo 2610 900
W 3410 1200
9
Trabalho a quente
Trabalho a frio
10
CONFORMAÇÃO PLÁSTICA a quente
Conformação a quente: Realizada a temperatura maior que a temperatura derecristalização ocorre recristalização contínua pode-se aplicar grandes níveis dedeformação.
Conforme se aumenta a temperatura, aumenta-se a ductilidade do material diminui-se o limite de escoamento necessário baixa tensão para deformar o material.
Homogeneização química das estruturas brutas de fusão (por exemplo: eliminação desegregações) em virtude da rápida difusão atômica interna e eliminação de bolhas eporos.
Necessidade de fornos elevado custo; Reações do metal com a atmosfera do forno,levando as perdas de material, por oxidação e outros problemas relacionados. Desgastedas ferramentas é maior e a lubrificação é difícil;Necessidade de grandes tolerâncias dimensionais por causa de expansão e contraçãotérmicas.
11
CONFORMAÇÃO PLÁSTICA A QUENTE
12
CONFORMAÇÃO PLÁSTICA A FRIO
Conformação a frio: Realizada a temperatura menor que a temperatura de recristalização não ocorre recristalização contínua pode-se aplicar baixos níveis de deformação.
Melhor acabamento e dureza superficial. Não existe expansão térmica do material dimensões são facilmente controladas.
Se o trabalho a frio for muito intenso, pode ocorrer a falha do material antes da deformação
Cargas relativamente altas.
Deformação do material a frio leva ao encruamento aumento da resistência e diminuição da ductilidade.
CONFORMAÇÃO PLÁSTICA A FRIO
VARIÁVEIS QUE INFLUEM NA CONFORMABILIDADE
• Composição química
• Tamanho de grão
• Percentagem de elementos de liga
• Distribuição dos grãos
• Morfologia dos grãos
• Tamanho e natureza de precipitados
• Soluções sólidas
Relacionadas com o
material trabalhado
14
• Grau de deformação
• Taxa de deformação
• Temperatura
• Atrito
• Estado de tensão Estas variáveis determinam a microestrutura do material deformado e o modo de escoamento durante o processo.
Relacionadas ao processo de conformação
VARIÁVEIS QUE INFLUEM NA CONFORMABILIDADE
15
16
LAMINAÇÃO
17
LAMINAÇÃO
• É o processo que o material é passado por entre dois rolos de um equipamento denominado de laminador, provocando uma redução da sua espessura.
Introdução
18
LAMINAÇÃO
Ao passar entre os cilindros, o material sofredeformação plástica, tem redução daespessura e aumento na largura e nocomprimento. Como a largura é limitada pelocomprimento dos cilindros, o aumento docomprimento é sempre maior.
19
LAMINAÇÃOA laminação pode ser feita a quente ou a frio:
• Grandes reduções deespessura. Ex: Para reduzir oaço, a laminação é semprefeita a quente, pois a estruturacristalina é CFC, o que facilitaa laminação (forças de coesãosão menores, o que facilita adeformação planoscristalinos).
Quente
LAMINAÇÃO
• Na laminação primária, faz redução oudesbaste inicial dos lingotes em blocos, tarugosou placas. Transforma seções de lingotes emoutras menores de formatos diversos. Nestaetapa ocorre o refinamento da microestruturados lingotes e o caldeamento (fechamento) debolhas e vazios;
• Uma nova etapa de laminação a quentetransforma o produto em chapas grossas, tirasa quente, vergalhões, barras, tubos, trilhos ouperfis estruturais.
Quente
21
LAMINAÇÃO
• Ocorre após a laminação primária a quente, éresponsável por produtos de excelenteacabamento superficial, com boas propriedadesmecânicas, controle dimensional preciso,microestrutura de grãos alongados no sentido dalaminação anisotropia de propriedadesmecânicas.
A Frio
22
LAMINAÇÃOAs instalações de uma laminação são compostas porfornos de aquecimento e reaquecimento de lingotes,placas e tarugos, sistemas de roletes para deslocar osprodutos, mesas de elevação e basculamento,tesouras de corte e principalmente o laminador.
23
LAMINAÇÃOOs cilindros são as peças-chave dos laminadores,porque aplicam os esforços para deformar o metal.Podem ser fundidos ou forjados, de ferro fundido ouaço especial, dependendo das condições de trabalho.Podem ser lisos, para a produção de placas e chapas, oucom canais, para a produção de perfis.
24
LAMINAÇÃOTipos de Laminadores:
• dois cilindros demesmo diâmetro,que giram emsentidos opostos, namesma velocidade.
Duo
• três cilindros dispostos unssobre os outros. Na primeiravez, passa entre o cilindroinferior e médio. No retorno,entre o médio e o superior.
Trio
25
LAMINAÇÃO
• quatro cilindros: doisinternos (de trabalho) e doisexternos (de apoio).
Quádruo
• quatro cilindros combinados: dois horizontais e dois
verticais. É utilizado para a laminação de trilhos.
Universal
26
LAMINAÇÃO
• seis cilindros dosquais dois são detrabalho equatro de apoio.
Sendzimir
Para peças de menor espessura, utilizam-se cilindros de menor
diâmetro para um melhor acabamento dimensional risco de sofrer flexão durante a laminação
utilizam-se cilindros de apoio com diâmetros maiores.
LAMINAÇÃO
• As ranhuras são responsáveis pela
formação dos perfis de trilhos, canaletas e vigas.
Cilindros com
ranhuras
28
• É o método mais eficiente e barato de reduzir a seção transversal de uma peça.
• Obtenção de espessuras uniformes ao longo de grandes comprimentos.
• Apresenta alta produtividade e um controle dimensional do produto acabado bastante preciso.
Vantagens
LAMINAÇÃO
• Problema de flexão dos rolos resultando na produção de chapas de espessura maior no centro do que nas bordas.
Desvantagem
29
LAMINAÇÃOEsforços Envolvidos:
Tensões
Compressivas
O material é submetido a tensões
compressivas elevadas, resultantes da
ação de prensagem dos rolos.
Cisalhantes
O material é submetido a tensões
cisalhantes superficiais, resultantes do
atrito entre os rolos e o material. (As
forças de atrito são também responsáveis
pelo ato de "puxar" o metal para dentro
dos cilindros)
30
LAMINAÇÃO
Laminação
a quente
Laminação
a frio
Placas Blocos Tarugos
Chapas
Folhas
Tubos
Perfis Trilhos Barras
Barras
Trefilados
Tubos
31
LAMINAÇÃO
32
LAMINAÇÃODefeitos em
produtos laminados
Desvios de forma
Irregularidades de superfície
trincas fissurascascas
(carepas)
Internos
trincasescamas
33
Defeitos em produtos laminados
• Poros, inclusões, segregações devido ao processo de obtenção dolingote (processo de fundição);
• Após a laminação existe uma melhora na homogeneidade e distribuiçãodestes defeitos, quando se trata de inclusões estas se alinham de acordocom uma das direções principais de deformação (anisotropia).
• Como existe uma alta relação entre superfície/volume em produtoslaminados, deve-se ter o cuidado com o acabamento superficial.
• Durante a laminação deve-se ter um controle da espessura da chapa quepode variar no sentido longitudinal quando se trata de material nãohomogêneo , ou no sentido transversal devido a flexão do cilindro.
• Muitas vezes a variação da espessura no sentido longitudinal pode serocasionada pela variação da velocidade de laminação ou variação natensão de tração na chapa.
LAMINAÇÃO
LAMINAÇÃO
35
LAMINAÇÃO
Classificação dos produtos - Planos
• Chapas grossas > 6mm de espessura.
• Chapas finas a quente – de 1,2 a 6mm.
• Chapas finas a frio – de 0,3 a 2mm.
• Chapas galvanizadas – laminadas com revestimentoprotetor de zinco, por imersão em zinco fundido(processo mais usado) ou por deposição eletrolítica.
• Chapas estanhadas (folha de flandres) – laminados afrio com revestimento protetor de estanho ( porimersão ou deposição eletrolítica.
36
LAMINAÇÃO
Classificação dos produtos - Não-Planos
• Diversos tipos de perfis: T, Y, V, L duplo T...
• Tarugos de seção quadrada, redonda, sextavada...
• Ferros finos de seção quadrada, redonda, chata...
• Fio máquina (materiais ferrosos de seção redonda, condicionados em bobinas)
37
Cálculos.
LAMINAÇÃO
Porcentagem de Redução de Laminação (r):
100.%0
0
h
hhr
f
h0 = Espessura inicial
hf= Espessura final
38
Cálculos
LAMINAÇÃO
0l
l f
ff
f
fff
hw
hw
l
l
hlwhlw
.
.
....
00
0
000
Coeficiente de Alongamento (δ):
l0 = Comprimento inicial da chapa
lf= Comprimento da chapa laminada
Volume Constante:
w0 = Largura inicial
wf= Largura final
h0 = Espessura inicial
hf= Espessura final
39
Cálculos
LAMINAÇÃO
Velocidade de Saída do Material (vf):
O acumulo de material entre os cilindros é zero, então por unidade de tempo no
processo de laminação tem-se que todo:
“MATERIAL QUE ENTRA = MATERIAL QUE SAI”
Considerando que a largura praticamente não se altere e da condição de volume
constante, temos:
fff whvwhv .... 000
f
fh
hvv 0
00vv f
LAMINAÇÃO
Encruamento: Criação e acúmulo de discordâncias provenientes da deformaçãoplástica do material aumento na resistência da peça laminada.
Alongamento dos grãos na direção de laminação.
41
EXERCÍCIOS - LAMINAÇÃO
.
41
1) Responda às seguintes questões.
a) O que é laminação?
b) Qual a diferença entre um produto final e um
produto intermediário?
c) Por que o aço é sempre aquecido para ser laminado?
42
EXERCÍCIOS - LAMINAÇÃO
.
42
2) Responda às seguintes questões.
a) Qual é a função do laminador?
b) Preencha os espaços em branco-
- Apresenta quatro cilindros, dois horizontais e dois
verticais: ..................
- Apresenta dois cilindros de mesmo diâmetro: ..............
- Apresenta seis cilindros, dois de trabalho e quatro de
apoio: ...............
- O material passa entre o cilindro inferior e o médio e
volta passando entre o médio e o superior: ................
- Tem quatro cilindros, dois de trabalho e dois de apoio:
.........
1
FORJAMENTO
2
Introdução
Vantagens e Desvantagens
Esforços Envolvidos
A Quente
A Frio
Carga Mecânica
Matriz Aberta
Matriz Fechada
Defeitos de Forjamento
FORJAMENTO
3
FORJAMENTO = MARTELAMENTO
Introdução:
3
Introdução:
FORJAMENTO
O forjamento é um processo que utiliza prensas ou
martelos de impacto repetitivo para conformar uma
peça.
5
Vantagens:
FORJAMENTO
Os forjados são produzidos a partir de pré-formas simples.
Produzem-se os componentes com tolerâncias apertadas.
Eficiente com relação ao aproveitamento da matéria-prima e
da diminuição do desperdício.
O controle da seqüência de fabricação garante uma elevada
taxa de repetibilidade das peças forjadas.
Os custos, em geral, são baixos. (desde que se trabalhe com
grandes quantidades)
6
Desvantagens:
FORJAMENTO
Elevado custo das matrizes que são fabricadas de aço-
ferramenta.
Não é viável para quantidades pequenas de produtos.
Apenas pode ser aplicado em geometrias não muito
complexas.
As peças a serem forjadas necessitam de corte para ficarem do
tamanho ideal.
7
A quente:
FORJAMENTO
Permite grandes deformações.
Menores valores de carga mecânica.
Boa precisão dimensional,
8
A Frio:
FORJAMENTO
Deformações limitadas.
Maiores valores de carga mecânica.
Excelente precisão dimensional,
9
Carga Mecânica:
FORJAMENTO
O método de aplicação da carga mecânica pode
ser dividido em:
Por impacto martelo
Por pressão prensa
10
Carga Mecânica:
FORJAMENTO
IMPACTO - O método preferido para forjamento individual, isto é, o
“shapeamento” do metal ou outro material. É feito através da aplicação
de uma pressão instantânea em uma área relativamente pequena. O
martelo pode ser acionado por ar comprimido, hidraulicamente, ou
manual. Este tipo de forjamento pode produzir uma grande variedade de
formas e tamanhos. A desvantagem é a necessidade de usinagem após o
processo.
PRESSÃO - Nesse tipo de processo uma pressao contínua e lenta é
aplicada na área a ser forjada. Esta operação pode ser realizada a quente
ou a frio.
11
Toda a operação de forjamento precisa de uma
matriz. É ela que ajuda a fornecer o formato
final da peça.Tais matrizes podem ser:
Matrizes abertas ou forjamento livre
Matrizes fechadas
FORJAMENTO
11
Classificação do Processo de Forjamento:
FORJAMENTO
13
Matriz Aberta:
FORJAMENTO
Aplicação de forças de compressão ocorre em regiões
localizadas da peça.
A forma final da peça é obtida por intermédio da sua
manipulação (ex: avanço, rotação...) – golpes sucessivos
da prensa.
Matriz Aberta:
FORJAMENTO
Matriz Aberta:
FORJAMENTO
16
Matriz Fechada:
FORJAMENTO
O material é conformado entre duas metades de matriz que
possuem, gravadas em baixo-relevo, impressões com o
formato que se deseja fornecer à peça. A deformação ocorre
sob alta pressão em uma cavidade fechada ou semi-fechada,
permitindo assim obter-se peças com tolerâncias dimensionais
mais apertadas.
Nos casos em que a deformação ocorre dentro de uma
cavidade totalmente fechada, sem zona de escape, é
fundamental a precisão na quantidade fornecida de material
17
Matriz Fechada:
FORJAMENTO
Uma quantidade insuficiente de material implica na falta de enchimento da
cavidade e falha no volume da peça.
Um excesso de material causa sobrecarga no ferramental, com probabilidade
de danos ao mesmo e ao maquinário.
Dada a dificuldade de dimensionar a quantidade exata fornecida de material,
é mais comum empregar um pequeno excesso. As matrizes são providas de
uma zona oca especial para recolher o material excedente ao término do
preenchimento da cavidade principal.
O material excedente forma uma faixa estreita (rebarba) em torno da peça
forjada. A rebarba exige uma operação posterior de corte (rebarbação) para
remoção.
18
Matriz Fechada:
FORJAMENTO
Peças forjadas em matriz, com peso inferior a 2 ou 3 kg, são
normalmente produzidas a partir de barras laminadas; as de
maior peso são forjadas a partir de tarugos ou palanquilhas,
quase sempre também laminados, e cortados previamente no
tamanho adequado.
Peças delgadas, como chaves de boca, alicates, tesouras,
facas, instrumentos cirúrgicos, etc, podem ser forjadas a partir
de recortes de chapas laminadas.
O forjamento em matriz fechada pode ser classificado em: a)
forjamento a partir da barra, b) a partir de tarugos e c)
elementos estampados.
19
Matriz Fechada:
FORJAMENTO
20
Para peças não muito complexas, são aplicadas as seguintes
etapas no forjamento em matriz fechada:
• Corte do blank, ou seja, do pedaço de metal em barra no
tamanho necessário.
• Aquecimento - realizado em fornos.
• Forjamento intermediário, realizado somente quando é
difícil a conformação em uma única etapa.
• Forjamento final - feito em matriz, já com as dimensões
finais da peça.
• Tratamento térmico - para a remoção das tensões,
homogeneização da estrutura, melhoria da usinabilidade e das
propriedades mecânicas.
Matriz Fechada (Etapas do Processo):
FORJAMENTO
20
21
Matriz Fechada Progressiva:
FORJAMENTO
21
Matriz Fechada:
FORJAMENTO
Matriz Fechada:
FORJAMENTO
FORJAMENTO
Peças Forjadas Típicas:
25
FORJAMENTOPeças Forjadas Típicas:
FORJAMENTO
Defeitos dos Produtos Forjados:
Falta de redução - caracteriza-se pela penetração incompleta do
metal na cavidade da ferramenta. Isso altera o formato da peça e
acontece quando são usados golpes rápidos e leves do martelo.
Trincas superficiais - causadas por trabalho excessivo na periferia da
peça em temperatura baixa, ou por alguma fragilidade a quente.
Trincas nas rebarbas - causadas pela presença de impurezas nos
metais ou porque as rebarbas são pequenas. Elas se iniciam nas rebarbas
e podem penetrar na peça durante a operação de rebarbação.
Trincas internas - originam-se no interior da peça, como
consequência de tensões originadas por grandes deformações.
27
FORJAMENTO
Defeitos dos Produtos Forjados:
Gotas frias - são descontinuidades originadas pela dobra de superfícies,
sem a ocorrência de soldagem. Elas são causadas por fluxos anormais de
material quente dentro das matrizes, incrustações de rebarbas,
colocação inadequada do material na matriz.
Incrustações de óxidos - causadas pela camada de óxidos que se
formam durante o aquecimento. Essas incrustações normalmente se
desprendem, mas ocasionalmente, podem ficar presas nas peças.
Descarbonetação - caracteriza-se pela perda de carbono na superfície
do aço, causada pelo aquecimento do metal.
Queima - gases oxidantes penetram nos limites dos contornos dos
grãos, formando películas de óxidos. Ela é causada pelo aquecimento
próximo ao ponto de fusão.
27
COMPARATIVO
COMPARATIVO
COMPARATIVO
31
EXERCÍCIOS - FORJAMENTO
1. Relacione as características listadas com o tipo de forjamento.
Coluna A Coluna B
( ) Matrizes de geometria simples. 1- Forjamento livre.
( ) Peças de tamanho grande como 2- Forjamento/ matriz fechada.
eixos de navios.
( ) Utiliza uma matriz na qual está
esculpida a cavidade da peça.
( ) Necessita de várias matrizes com
formatos intermediários.
( ) As matrizes apresentam calhas
para conter as rebarbas.
31
32
2. Complete as definições a seguir.
• O forjamento é um processo de...............................no qual o material
é........................................
• O forjamento ................................... é feito aplicando-se golpes rápidos e
sucessivos ao metal.
• No forjamento .............................................., a força de compressão é aplicada
em baixa velocidade de forma contínua.
EXERCÍCIOS - FORJAMENTO
32
33
EXERCÍCIOS - FORJAMENTO
.
33
Exercício 3: Descreva, com suas palavras, as etapas do forjamento em matriz fechada.
Exercício 4: Uma peça forjada apresenta uma rachadura próxima à periferia da peça na
região da rebarba. Na sua opinião, qual a possível causa desse defeito?
Exercício 5: Relacione a característica com o respectivo processo de forjamento.
Coluna A Coluna B
( ) Golpes rápidos e sucessivos. 1 - Forjamento por martelamento.
( ) A deformação atinge camadas profundas 2 - Forjamento por prensagem.
do material.
( ) A deformação das fibras do material é mais regular.
( ) A pressão máxima ocorre quando a matriz toca o metal
( ) A pressão máxima é atingida pouco antes da carga ser retirada.
( ) A deformação é maior nas camadas superficiais da peça
( ) A deformação das fibras do material é irregular.
1
EXTRUSÃO
2
Introdução
Direta, Indireta, Hidráulica e Lateral
A Quente
A Frio
Efeito da Temperatura
Vantagens e Desvantagens
Cálculo da Força de Extrusão
Ferramentas de Extrusão
Equipamentos
Defeitos na Extrusão
Geometrias das Matrizes
Dispositivo de Extrusão
EXTRUSÃO
3
EXTRUSÃO
(a) (b)
Êmbolo
Êmbolo
Introdução:
A extrusão é um processo no qual o material é forçado a
escoar através de um orifício.
EXTRUSÃO
4
EXTRUSÃO
Introdução:
EXTRUSÃO
5
EXTRUSÃO
Direta
6
EXTRUSÃO
Indireta
EXTRUSÃO
Hidráulica
8
EXTRUSÃO
Lateral
9
EXTRUSÃO
A adequação do material depende da
temperatura de extrusão, de sua rigidez,
resistência e abrasão.
Temperaturas muito baixas de extrusão
tornam o material muito rígido.
Temperaturas muito altas favorecem a
formação de trincas.
Efeito da Temperatura:
10
EXTRUSÃOA Quente:
Características:
Grandes reduções de seção numa só etapa;
A maioria dos processos para se obter produtos contínuos semi-
acabados (barras) e acabados (perfis e tubos);
Desgaste excessivo da matriz;
Esfriamento do tarugo na câmara pode gerar deformações não-
uniformes;
Tarugo aquecido é coberto por filme de óxido (exceto quando
aquecido em atmosfera inerte) que afeta o comportamento do fluxo
do metal por suas características de atrito e pode gerar um produto
com acabamento ruim.
ETAPAS DA EXTRUSÃOA Quente:
12
EXTRUSÃO
A Quente:
Existem basicamente três variações de extrusão em
função da técnica de lubrificação usada
Extrusão não lubrificada
Extrusão lubrificada
Extrusão hidrostática
13
EXTRUSÃO
A Quente:
Extrusão a quente sem lubrificação
Neste processo os fatores metalúrgicos e de processos
interagem, afetam as propriedades mecânicas, o
acabamento superficial e a resistência a corrosão do
produto
Produz formas bastantes complexas, superfícies
espelhadas e tolerâncias dimensionais fechadas e utiliza
matriz plana.
14
EXTRUSÃO
A Quente:
Extrusão a quente com lubrificação
Reduz a carga requerida, o desgaste da matriz e a
necessidade de aumento de temperatura devido ao menor
atrito e menor cisalhamento.
Melhora a uniformidade das propriedades mecânicas.
Vidro fundido geralmente é utilizado como
lubrificante.
15
EXTRUSÃO
A Quente:
Extrusão a quente hidrostática
Transmissão de pressão ao tarugo por meio de um
fluido hidráulico.
O diâmetro do tarugo é menor que o diâmetro da
câmara, que é preenchida por um fluido . O fluido sob
pressão empurra o tarugo pela matriz. Não há atrito nas
paredes da câmara.
Baixo atrito, pequenos ângulos de matriz e altas
relações de extrusão.
16
EXTRUSÃOA Frio:
Características:
Desenvolvida nos anos 40, combina operações de extrusão
direta, indireta e forjamento.
O processo foi aceito na indústria particularmente para
ferramentas e componentes de automóveis , motocicletas,
bicicletas, acessórios e equipamento agrícola.
Pequenas reduções de seção em vários estágios;
Obtenção de peças de precisão;
Embora componentes extrudados a frio sejam mais leves,
fabricam-se componentes de até 45 kg e com comprimentos de
até 2m.
17
EXTRUSÃO
Facilidade de produção.
Baixo custo do ferramental.
Bom acabamento do produto final.
Possibilidade de intercambio com outros
processos (Forjamento).
Vantagens:
18
EXTRUSÃO
Anisotropia do material na direção da
extrusão.
Temperatura e velocidade de extrusão
devem ser controlados de maneira a
evitar defeitos.
Desvantagens:
19
EXTRUSÃOCurvas de Pressão:
20
EXTRUSÃO
Influenciam na qualidade do produto
Ferramentas:
21
Ferramentas:
Êmbolos, recipientes e matrizes fabricadas em aços
para trabalho a quente, ligados ao Cr, V, Mo, W e Ni.
Em aços para trabalho a frio ligados ao Cr, V, Mo e W
ou,
Matrizes com núcleo de metal para grandes
produções. São fabricadas por sinterização e sofrem
nitretação (aumento de dureza superficial).
Matrizes com geometrias específicas para grupos de
ligas metálicas extrudadas.
EXTRUSÃO
22
Equipamentos:
De Extrusão:
Prensas hidráulicas (horizontais para extrusão a quente e
verticais para extrusão a frio) com capacidade de 1000 a
8000 T.
Ação contínua, por acionamento hidro-pneumático ou
óleo-dinâmico.
Auxiliares:
sistemas de corte de barras
sistemas de retrocesso do pistão
fornos para aquecimento de tarugos (indutivos para maior
rapidez e uniformidade de aquecimento)
controle da atmosfera de aquecimento
EXTRUSÃO
23
EXTRUSÃO
Prensa Hidráulica:
Extrusão a Quente
24
EXTRUSÃO
Formas Resultantes:
Praticamente qualquer forma de seção transversal vazada ou cheia pode ser
produzida por extrusão. Como a geometria da matriz permanece inalterada, os
produtos extrudados têm seção transversal constante .
25
EXTRUSÃO
Defeitos na Extrusão:
1) Devido às deformações não homogêneas: pode ocorrer que o centro do
material extrudado mova-se mais rapidamente que a periferia, resultando em
“zonas mortas” ao longo da superfície externa do material
Anel de Oxido: Centro do tarugo move-se mais rapidamente. Quando a maior
parte do tarugo já tiver passado pela matriz, a espessura de material mais
externa “desaba” e é empurrado pelo pistão. Como a superfície do que
desabou continha uma película de óxidos, vão aparecer linhas centrais de
óxidos no interior do produto final. Se for feito um corte transversal observar-
se-á um anel de óxido quase que destacado do material adjacente a ele.
Cavidade no centro: em função da diferença de velocidade entre o núcleo e a
superfície do tarugo acontece a formação de uma cavidade no centro do
material em contato com o pistão, quando o processo de extrusão atinge a
etapa final. Esta cavidade cresce gradualmente em diâmetro e profundidade
transformando, naquele pedaço, a barra em tubo (rechupe).
26
EXTRUSÃO
Defeitos na Extrusão:
2) Devido a temperaturas de processo inadequadas:
Trincamento (fragilização): Quando a temperatura de
extrusão está acima da ideal, o material pode apresentar
trincas durante o resfriamento no final do processo.
Marcas de Escorregamento (arrancamento): Quando a
temperatura do processo está abaixo da indicada, a
velocidade estabelecida pode ser excessiva e ocasionar
perda de material da superfície do produto (marcas).
27
EXTRUSÃO
Defeitos na Extrusão:
3) Devido a gases:
Bolhas de gás: Produtos fabricados pelo processo de extrusão
podem também bolhas de ar na superfície. Elas podem ser
oriundas de um processo de fundição do lingote não adequado
ou, ainda que menos provavelmente, do ar contido nas
“câmaras” de extrusão
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EXTRUSÃO
Defeitos na Extrusão – como evitá-los ou eliminá-los do produto
Anel de Óxido: não extrudar o tarugo até o fim; aquecer o recepiente de
passagem a uma temperatura 50ºC menor que a temperatura do tarugo; não
deixar o diâmetro do produto extrudado ultrapassar um valor a partir do qual o
anel de óxido começa a aparecer.
Cavidade no Centro: descartar a porção final do produto.
Trincamento: utilizar temperaturas de processo adequadas.
Marcas de Escorregamento (arrancamento): diminuir a velocidade de
extrusão e/ou adequar a temperatura da operação.
Bolhas de Gás: eliminar gases dissolvidos no metal líquido durante a fundição
do lingote
29
a) Al puro, AlMn, AlMgSi
b) AlCuMg, AlMg, AlZnMg
c) MgAl, MgZnZr
d) PbCu, PbSb
e) CuZnPb
f) CuCd, CuSb
g) Ligas de Zn
h) Aços
i) Ligas de Ti
k) Ligas de Ni, Cr (altas T)
EXTRUSÃO
Geometrias das Matrizes:
30
EXERCÍCIOS - EXTRUSÃO
1) Responda às seguintes questões:
- O que é extrusão?
- Que tipos de produtos são fabricados pelo processo de extrusão?
2) Escreva “C” para as afirmações corretas e “E” nas incorretas. Por
que estão erradas?
( ) Rolos de arame, cabos e fios elétricos são produtos fabricados
por extrusão.
( ) O alumínio pode ser extrudado em uma grande variedade de
perfis.
( ) A temperatura de aquecimento do bloco a ser extrudado deve
ser a mais alta possível.
31
EXERCÍCIOS - EXTRUSÃO
3) Complete as definições abaixo:
- Na extrusão direta, o bloco metálico é ______________.
- Na extrusão indireta, a matriz é ___________________.
4) Como é possível evitar os seguintes defeitos?
- Cavidade no produto.
- Anel de óxido.
- Arrancamento.
- Bolhas.
1
TREFILAÇÃO
2
Introdução
Características gerais
Etapas do Processo de Fabricação
Geometria
Vantagens
Equipamentos
Produtos
TREFILAÇÃO
3
TREFILAÇÃO = PUXAMENTO
4
TREFILAÇÃO
• A trefilação é uma operação que a matéria-prima é estirada através de uma matriz em forma de canal convergente (FIEIRA ou TREFILA) por meio de uma força trativa, aplicada do lado de saída da matriz. O escoamento plástico é produzido principalmente pelas forças compressivas provenientes da reação da matriz sobre o material.
Introdução
TREFILAÇÃOIntrodução:
Matéria-prima para a trefilação é um material
em forma de tubo, barra ou arame.
Em muitos casos, o material a ser trefilado
é chamado de fio máquina.
6
TREFILAÇÃO
Características gerais
• O processo de trefilação consiste em puxar o metal através de uma matriz(fieira), por meio de uma força de tração aplicada na saída da matriz.
• A maior parte do escoamento plástico é causada por esforços decompressão resultantes da reação do metal com a matriz.
• Os processos de trefilação são realizados à temperatura ambiente, usandoum número de passes ou reduções através de fieiras consecutivas. Apósum certo número de passes de trefilação é comum o recozimento do fio.
• Na redução sucessiva de diâmetro de uma barra metálica maciça podemresultar barras, vergalhões e arames.
• A geometria da fieira determina as dimensões finais (a área da seçãotransversal do produto trefilado).
7
TREFILAÇÃO
• Fio-máquina(diâmetro ≥ 5,5mm): Laminado a quente e recozido.
• Decapagem mecânica ou química que retira os óxidos presentes na superfície do fio máquina.
• Trefilação propriamente dita.
• Tratamento térmico de recozimento, quando é necessário restabelecer a ductilidade do material.
Etapas do
processo de
trefilação
8
TREFILAÇÃO
• A geometria da fieira tem grande influência sobre a força de trefilação. Para qualquer passe de redução a ser realizado no material existe uma geometria de fieira ideal que exige um menor esforço de tração para que o material atinja o limite de escoamento.
Geometria
9
TREFILAÇÃOGeometria: Representação das 4 regiões da fieira
a) Cone de entrada: guia o fio e o lubrificante;
b) Cone de trabalho: ocorre a redução do diâmetro. Forças compressivas são mais intensas;
c) Cilindro de calibração: define o diâmetro do fio;
d) Cone de saída: saída livre do material trefilado.
10
TREFILAÇÃO
• Na região de deformação é aplicado o esforço de compressão (minimizando o atrito), reduzindo assim o desgaste da fieira.
• Ocorre a conformação, acontece a redução da seção transversal do fio através da transformação de uma parcela da tensão de tração em tensão de compressão.
• Quanto maior a resistência do fio menor deve ser o ângulo de redução.
• Ângulos maiores tendem a empenar mais facilmente uma peça (área de contato é menor forças ficam concentradas em uma superfície menor)
• Este valor pode variar de 6º a 30º.
Geometria
11
TREFILAÇÃO
• Tem a função de calibrar ou ajustar o diâmetro do fio.
• Auxilia o ângulo 2b, mantendo a camada de lubrificante espessa na interface de deformação.
• Controla o diâmetro final do fio trefilado garantindo assim as tolerâncias geométricas (cilindricidade) e o acabamento superficial.
• A escolha de um valor correto auxilia na manutenção de uma lubrificação mais eficiente, aumentando assim a vida útil da fieira [MAXWELL, 1991].
Geometria (cilindro
de calibração)
12
TREFILAÇÃO
Vantagens
• O material pode ser estirado e reduzido em secção transversal mais do que com qualquer outro processo.
• A precisão dimensional obtida é maior que em qualquer outro processo exceto a laminação a frio, que não é aplicável às bitolas comuns de arames.
• A superfície produzida é uniformemente limpa e polida.
• O processo influi nas propriedades mecânicas do material, permitindo, em combinação com um tratamento térmico adequado, a obtenção de uma gama variada de propriedades com a mesma composição química.
13
TREFILAÇÃO
Materiais da Trefila: Características Necessárias
• Permitir a trefilação de grande quantidade de fios sem desgaste acentuado na fieira;
• Permitir a trefilação em altas velocidades (produtividade);
• Permitir a adoção de elevadas reduções de secção;
• Produzir fio de diâmetro constante;
• Conferir longa vida à ferramenta para evitar perdas de tempo para controle dimensional e/ou substituição da mesma;
• Permitir a obtenção de superfície lisa e brilhante no fio pelo maior tempo possível.
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TREFILAÇÃO
Materiais para Trefila de Fios
Diamante Industrial
• Para fios de diâmetros menores ou iguais a 2mm;
Metal-duro
• Para fios de diâmetros maiores que 2mm. Comumente se emprega um material com 95% de carboneto de tungstênio e 5% de cobalto, podendo conter ainda cromo e tântalo. Núcleo de metal-duro de elevadíssima dureza em suporte de aço carbono
15
TREFILAÇÃO
Lubrificação na Trefilação
• O fenômeno do atrito é muito importante no processo de trefilação –movimento relativo fio/fieira.
• Maior atrito maior desgaste da ferramenta, defeitos superficiais no fio, maior força de trefilação e maior temperatura.
• Ação do lubrificante – película constante entre as superfícies de contato; temperatura na superfície do fio constante, decrescendo para o seu interior.
Características do lubrificante
• Evitar engripamento que ocorre quando filme é interrompido
• Resistência à temperatura de trefilação.
• Resistência química à ação desagregadora de óleos minerais presentes.
• Capacidade de manter a superfície do fio isenta de resíduos carbônicos provenientes de recozimento.
TREFILAÇÃO
Condições ideias
• Otimização do processo de trefilação...
• Alta velocidade de trefilação aumento da produtividade
• Pequenas forças de trefilação possibilitar o uso de máquinas menosrobustas
• Trefilados com qualidades mecânicas e metalúrgicas adequadas ao uso docliente: uniformidade dimensional e ausência de defeitos.
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TREFILAÇÃO
• Diâmetro escalonado, causado por partículas duras retidas na fieira, que se desprendem depois.
Defeitos Típicos
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TREFILAÇÃO
• Fratura irregular, com estrangulamento, causada por esforço excessivo devido à lubrificação deficiente, excesso de espiras no anel tirante, anel tirante rugoso, anel tirante com diâmetro incorreto, redução excessiva.
Defeitos Típicos
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TREFILAÇÃO
• Fratura com risco lateral, ao redor da marca de inclusão, causada por partícula dura inclusa no fio inicial proveniente da laminação ou extrusão.
Defeitos Típicos
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• Fratura com trinca aberta em duas partes, causada por trincas de laminação.
Defeitos Típicos
TREFILAÇÃO
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• Marcas em forma de V ou fratura em ângulo, causadas por redução grande e parte cilíndrica pequena, com inclinação do fio na saída; ruptura de parte da fieira com inclusão de partículas no contato fio-fieira; inclusão de partículas duras estranhas.
Defeitos Típicos
TREFILAÇÃO
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TREFILAÇÃO
• Ruptura taça-cone, causada por redução pequena e ângulo de fieira muito grande, com acentuada deformação da parte central.
Defeitos Típicos
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TREFILAÇÃOEquipamentos:
24
TREFILAÇÃOEquipamentos:
25
TREFILAÇÃOEquipamentos:
Desenroladores
Endireitadores
Compactadores
de rolo
Guia Fio
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TREFILAÇÃOProdutos:
Não
Ferrosos
Ferrosos
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1. Complete as seguintes frases:
a)A trefilação é o processo utilizado para a produção de .......................... ,
............................................. e ....................................................
b)Na trefilação, o material é .........................através de uma matriz e é normalmente realizada a
............................................
c)A barra a ser trefilada é chamada de.....................................
2. Em uma empresa de fios e cabos elétricos esta ocorrendo a fratura no fio de cobre durante
o processo de produção. Liste as possíveis causas e dê as soluções necessárias.
3. Descreva a função das seguintes partes da fieira: a) cone de entrada; b) cone de trabalho; c)
cilindro de calibração e d) cone de saída.
TREFILAÇÃOExercícios:
