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Outubro 2014
Fundição por Cera Perdida
Ana Costa
Diogo Queirós
Henrique Correia
Paulo Baptista
1
Índice
Resumo .............................................................................................................................................. 2
Introdução ......................................................................................................................................... 3
Objetivo ............................................................................................................................................. 4
Enquadramento teórico ................................................................................................................. 4
Produção de peças por cera perdida: o processo a nível industrial .................................. 6
Vantagens ..................................................................................................................................... 7
Desvantagens ............................................................................................................................... 7
Sobre o Estanho: propriedades e aplicações ........................................................................... 8
Trabalho Prático: Fusão e Vazamento do Estanho ................................................................. 9
Conclusão ........................................................................................................................................ 11
Bibliografia ...................................................................................................................................... 12
2
Resumo
Este trabalho, realizado no âmbito da unidade curricular do Projeto FEUP, tem
como objetivo apresentar de forma clara e concisa o processo de produção de um
objeto metálico por fundição; concretamente, o processo de fundição por cera
perdida. Aqui, serão descritas as suas características e as suas vantagens e
desvantagens.
Aqui é descrito também um trabalho prático, em que se realizou uma pequena
parte do processo (fundição e vazamento de um metal, mais precisamente, o estanho).
Referem-se parte das propriedades do estanho, e aplicações práticas.
3
Introdução
O processo de fundição existe desde a Antiguidade, e durante estes muitos anos
tem-se desenvolvido em todos os seus ramos, desde a ourivesaria à construção civil.
Este tem ajudado o Homem a ultrapassar as mais diversas dificuldades. Técnicas mais
eficazes fazem do processo de fundição algo de elevada importância financeira.
O processo de fundição por cera perdida é descrito como uma boa técnica para
realce de detalhes importantíssimos em certas peças; contudo, existem desvantagens,
desde a impossibilidade de produção em série e a elevada mão-de-obra que requer,
que fazem com que este processo seja o mais competitivo no mercado da fundição, já
que é preciso uma serie de mecanismos que iremos abordar neste trabalho. Este
processo é bastante utilizado na ourivesaria e na arte porque revela todo o detalhe
que a peça necessita.
4
Objetivo
Produção de uma peça a partir de fundição; especificamente, através do método de
cera perdida.
Enquadramento teórico
A fundição é um processo que permite a obtenção de um objeto através do
vazamento de um líquido a alta temperatura (normalmente metal ou ligas metálicas)
num molde previamente criado. Este molde deve ter um formato tal que permita a
criação da peça que se pretende criar.
De uma forma dependente do molde que se usa, a fundição permite criar objetos
com as mais variadas formas, desde lingotes até esculturas, passando pela criação de
rolos maciços de chapa de várias espessuras e outro tipo de peças com as mais
variadas aplicações.
Figura 1- Vazamento de metal a nível industrial (Arsopi, S. A. s.d.).
Existem variados tipos de fundição. Alguns dos mais importantes são:
1. Fundição por cera perdida, método que será tratado com maior detalhe;
2. Fundição em molde de areia, considerado o processo mais simples e versátil.
É normalmente utilizado para produzir, por exemplo, pequenas quantidades
de peças iguais ou peças de grande tamanho. Este processo permite que a
peça fique porosa;
5
3. Fundição de molde permanente, em que o material fundido é vazado para
dentro de um molde metálico. Este processo permite obter peças
resistentes e pequenas, havendo o problema de não ser possível reproduzir
detalhes com fidelidade;
4. Fundição injetada, em que o objetivo é mecanizar e maximizar o ritmo de
produção. São utilizados moldes metálicos para injetar o material líquido, e
encerrados de forma a criar pressões elevadas; depois de o metal solidificar,
o molde abre e deixa sair a peça ainda quente. Isto permite que o
arrefecimento seja rápido, criando uma superfície suave e de granulagem
fina (Smith 1995);
5. Laminagem, que permite a produção de chapas longas e finas. Este processo
envolve a fundição do material pretendido e a sua passagem por rolos que
vão tornar o material cada vez menos espesso, até formar “folhas”. Estas
podem ter milímetros de espessura, tendo as mais grossas vários
centímetros.
6
Produção de peças por cera perdida: o processo a nível
industrial
Um processo de manufaturação e produção com mais de 5000 anos, o processo de
fundição por cera perdida é um dos métodos mais utilizados para peças com muitos
detalhes. Este foi utilizado, por exemplo, pelos egípcios para produzir joalharia, e pelos
indianos para criar esculturas sagradas (eFunda, Inc 2014) (Pillai 2002).
Neste tipo de produção de peças metálicas, é criado um envolvimento cerâmico à
volta de um protótipo que pode ser destruído, normalmente cera ou plástico, que se
permite endurecer para formar um molde de fundição removível. Isto significa que é
possível destruir este molde para obter a peça que se pretende criar (ASM
International 1992).
O processo de formação por cera perdida inicia-se com a produção de um molde;
este não é mais do que a peça inicial revestida com plasticina, ou um material
semelhante. No fim deste passo é necessário fazer os canais de vazamento e outros
canais de menores dimensões que servem para a libertação de gases que possam
prejudicar a peça final; este molde é coberto com gesso (denominado contramolde),
sendo depois necessário retirar o molde e ficar apenas com o contramolde.
Posteriormente a plasticina é retirada, ficando apenas a peça inicial; é necessário
voltar a colocar a peça inicial dentro do contramolde e preencher o espaço sobrante
Figura 2 - Esquema simplificado do processo de produção por cera perdida à escala industrial (ASM International 1992)
7
com silicone. Quando o silicone seca, este deve ser parcialmente cortado para retirar a
peça inicial; neste molde, vaza-se a cera líquida, deixando-se solidificar.
Este processo pode ser repetido várias vezes; após a obtenção do número de peças
de cera desejadas, estas devem ser fixas numa estrutura em árvore. Esta interliga
todas as peças a um só orifício de entrada, que vai permitir a saída das peças
provisórias de cera e a entrada do metal fundido.
No fim desta etapa, a árvore é mergulhada em cerâmica e retocada com areia, de
forma a endurecer e aumentar a sua resistência. Numa fase seguinte, aquece-se a
árvore por duas razões: com o calor, a estrutura ganha rigidez, e a cera fica no estado
líquido e sai, ficando, assim, a estrutura oca; e para que, na altura do vazamento, não
haja um choque térmico, o que faria com que a estrutura quebrasse.
Após o vazamento do metal, é necessário aguardar até à sua solidificação. Após o
arrefecimento, pode-se então quebrar o contramolde, cortar e separar as peças da
estrutura interna de metal e, se necessário, dar os acabamentos finais. O metal
solidificado não aproveitado pode ser reutilizado num novo processo de fundição.
Vantagens Desvantagens
Este processo permite a produção
em massa de peças com formas
difíceis ou impossíveis de replicar por
outros processos de fundição;
A reprodução das peças, em relação
à original, é bastante fiável;
Possibilidade de obtenção de maior
precisão dimensional e superfícies
com melhor acabamento;
Permite a utilização de praticamente
qualquer metal/liga, mesmo as mais
difíceis de trabalhar.
É possível o controlo rigoroso da
estrutura do material fundido de
modo a garantir as propriedades
desejadas da peça produzida.
As dimensões e o peso das peças são
limitados (cerca de 5kg), devido ao
custo elevado e à capacidade dos
equipamentos disponíveis;
Para peças maiores (entre 5 e 25 kg),
o investimento inicial é muito
elevado;
Para obter o produto, é necessário
quebrar o molde externo. Isto não
permite o seu reaproveitamento;
É um processo de produção mais
caro, comparativamente com outros.
Tabela 1- Vantagens e desvantagens do método de cera perdida (CPM Industries s.d.).
8
Sobre o Estanho: propriedades e aplicações
O estanho é um metal pertencente ao grupo 14 da Tabela Periódica; é maleável,
maciço e de cor prateada, com grande resistência à corrosão. Este encontra-se puro na
Natureza em pequenas quantidades, para além de se encontrar sob a forma de
cassiterite ou pedra de estanho (SnO2) na Bolívia e Indonésia.
Para a obtenção do estanho, calcina-se a cassiterite em contacto com o ar, para que
as impurezas, como enxofre e arsénio, sejam eliminadas. Em seguida, reduz-se o
estanho metálico pelo aquecimento com coque (carvão betuminoso). O estanho bruto
assim obtido tem ainda muitas impurezas, tais como o ferro. Para o separar deste, tira-
se partido do facto de o ferro ter um ponto de fusão muito mais elevado do que o
estanho. Aquece-se o estanho bruto um pouco acima do ponto de fusão do estanho
puro; este funde e é decantado, enquanto o ferro permanece no estado sólido.
O estanho pode ser laminado em folhas muito finas, designadas por papel de
estanho. Formam-se cristais relativamente grandes e visíveis quando a superfície do
sólido é tratada com ácido clorídrico. Uma característica peculiar do estanho é a
recristalização à temperatura ambiente dos cristais quando o metal é dobrado, criando
um ruído peculiar: o chamado “grito do estanho”.
O estanho utiliza-se em diferentes ligas, sobretudo com chumbo e cobre. Juntando
30% a 60% de chumbo, obtém-se uma liga de baixo ponto de fusão, utilizada em
soldas. Ligas com 70% de antimónio e um pouco de cobre utilizam-se nos chamados
metais antifricção, com os quais se fabricam chumaceiras para eixos de máquinas.
Outra liga onde o estanho é utilizado é no bronze, onde é combinado com cobre.
Nesta liga a sua função é aumentar a resistência mecânica e a dureza do cobre sem
alterar a sua ductilidade (2 a 11%). O estanho é utilizado em revestimento de latas;
recipientes de aço estanhado são amplamente utilizados para a conservação de
alimentos, solada para ligação de fios elétricos.
Nome (Símbolo químico) Estanho (Sn)
Densidade 7310 Kg/m3
Estado à temperatura
ambiente Sólido
Ponto Fusão 232ºC
Ponto ebulição 2270⁰C
Cor Cinzento brilhante
Tabela 2 - Propriedades do Estanho (Winter s.d.)
9
Figura 3 - Forno de ourives e termopar
Trabalho Prático: Fusão e Vazamento do Estanho
Instrumentos a utilizar: forno de ourives (com cadinho de grafite), termopar, tenaz,
molde (porta-chaves), lingoteira.
1. Cortar um lingote de estanho em pedaços pequeno;
2. Colocar os pedaços num cadinho de
grafite para fusão num forno de ourives,
previamente ligado e regulado para 350ºC;
3. Verificar a temperatura
dentro do cadinho com a
ajuda de um termopar;
4. Esperar até à fusão do estanho, controlando até atingir a temperatura
de vazamento (~330ºC) (Figura 3);
Figura 4 – Controlo da temperatura com o termopar
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5. Vazamento do estanho líquido para o molde de silicone e uma lingoteira
metálica (figuras 4 e 5);
6. Aguardar até à solidificação do estanho;
7. Remoção da peça/lingote do molde;
8. Remoção dos canais de alimentação (Figura 6).
Figura 6 - Vazamento para uma lingoteira
Figura 7 - A peça final
Figura 5 - Vazamento para o molde de silicone
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Conclusão
No decorrer do trabalho que nos foi proposto, foi-nos possível compreender o
processo de fundição e quais as suas aplicações no quotidiano, mas também as suas
vantagens e desvantagens em relação a outros processos existentes.
O processo de fundição por cera perdida é um processo complexo em que as várias
fases do mesmo são importantíssimas para que o resultado final seja o melhor
possível, sendo claro que o elevado pormenor que este processo confere sobrepõe-se
as dificuldades passadas no processo.
É de referir que embora não tenhamos realizado a atividade prática do processo de
fundição por cera perdida, foi-nos possível fazer parte do processo: a fundição e
vazamento do metal. Na atividade, o metal utilizado foi o estanho, tendo sido possível
observar e manusear parte dos instrumentos utilizados do processo de fundição.
É claro que a simples fundição e vazamento do estanho deixa apenas entrever um
vislumbre daquilo que é realmente o processo de fundição por cera perdida; contudo,
foi importante para compreender todo o trabalho que poderá estar por detrás de uma
peça que nos parece tão simples.
12
Bibliografia
Arsopi, S. A. n.d. http://www.arsopi.pt/pt/fundicao/produtos/ (accessed 10 22, 2014).
ASM International. ASM Handbook - Vol.15 - Casting. The Materials Information Company,
1992.
CPM Industries. Sand Casting vs Investment Casting. n.d. http://info.cpm-
industries.com/blog/bid/178170/Sand-Casting-vs-Investment-Casting (accessed 10 22,
2014).
eFunda, Inc. Investment Casting. 16 outubro 2014.
http://www.efunda.com/processes/metal_processing/invest_casting.cfm.
Pillai, R.M. TMS. 2002. http://www.tms.org/pubs/journals/JOM/0210/Pillai-0210.html
(accessed 10 16, 2014).
Smith, William F. Principles Of Materials Science and Engineering. 3ª. McGraw Hill, 1995.
Winter, Mark. WebElements. n.d. http://www.webelements.com/tin/ (accessed 10 22, 2014).