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Outubro 2014 Fundição por Cera Perdida Ana Costa Diogo Queirós Henrique Correia Paulo Baptista 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 Bibliografia 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. 2 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. 3 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; 4 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. 5 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). Figura 2 - Esquema simplificado do processo de produção por cera perdida à escala industrial (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 6 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 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. Desvantagens 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. É possível o controlo rigoroso da estrutura do material fundido de modo a garantir as propriedades desejadas da peça produzida. Tabela 1- Vantagens e desvantagens do método de cera perdida (CPM Industries s.d.). 7 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 (SnO 2 ) 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, tirase 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/m 3 Estado à temperatura ambiente Sólido Ponto Fusão 232ºC Ponto ebulição Cor 2270⁰C Cinzento brilhante Tabela 2 - Propriedades do Estanho (Winter s.d.) 8 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; Figura 3 - Forno de ourives e termopar 3. Verificar a temperatura dentro do cadinho com a ajuda de um termopar; Figura 4 Controlo da temperatura com o termopar 4. Esperar até à fusão do estanho, controlando até atingir a temperatura de vazamento (~330ºC) (Figura 3); 9 5. Vazamento do estanho líquido para o molde de silicone e uma lingoteira metálica (figuras 4 e 5); Figura 6 - Vazamento para uma lingoteira Figura 5 - Vazamento para o molde de silicone 6. Aguardar até à solidificação do estanho; 7. Remoção da peça/lingote do molde; 8. Remoção dos canais de alimentação (Figura 6). Figura 7 - A peça final 10 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. 11 Bibliografia Arsopi, S. A. n.d. (accessed 10 22, 2014). ASM International. ASM Handbook - Vol.15 - Casting. The Materials Information Company, CPM Industries. Sand Casting vs Investment Casting. n.d. (accessed 10 22, 2014). efunda, Inc. Investment Casting. 16 outubro Pillai, R.M. TMS (accessed 10 16, 2014). Smith, William F. Principles Of Materials Science and Engineering. 3ª. McGraw Hill, Winter, Mark. WebElements. n.d. (accessed 10 22, 2014). 12
