Transcript Fundição - aula1

Hélio Padilha
Introdução

O processo de fundição consiste na
fabricação de peças metálicas por meio do
preenchimento, com metal líquido, de um
molde cuja cavidade apresenta dimensões
similares às da peça que se deseja
produzir.
Histórico


Embora não haja um consenso, acredita-se que
tal processo seja conhecido desde 5000 a.C.,
quando já se faziam objetos em cobre fundido por
meio de moldes de pedra lascada.
Uma razão plausível para que o cobre tenha sido
o primeiro metal fundido pelo homem, de forma
não acidental, é o seu baixo ponto de fusão.
Cobre nativo
Histórico


A adição de estanho ou arsênio ao cobre formou a
nova liga conhecida como bronze, o que
aumentou a dureza do metal e permitiu ao homem
produzir armas e armaduras de alta resistência.
Entretanto, por muito tempo, materiais em bronze
eram considerados artigos de luxo, de modo que
seu uso não era estendido a soldados ou plebeus.
Naquela época (1700 a.C. e 1100 a.C.), o
processo em “cera perdida” já era conhecido na
China e na Mesopotâmia.
Histórico

Apesar de o minério de ferro ser encontrado em
abundância na natureza, o primeiro fundido de ferro
conhecido é considerado relativamente recente, datando
de 600 a.C. Trata-se de um tripé de 275 kg produzido na
China. Outras fontes indicam que o processo de fundição
de ferro era conhecido antes disso e, por volta de 1000
a.C., os chineses já produziam peças de ferro fundido em
temperaturas mais elevadas, obtidas em fornos de carvão
soprados por foles.
Histórico
Os primeiros fundidos em ferro tinham baixíssima resistência
à fratura.
 Apenas mais tarde introduziu-se o carvão durante o
processo de fusão, conferindo maior resistência à peça final.
No período romano, de 250 a 100 a.C., a metalurgia do ferro
já era largamente conhecida e aplicada na fabricação de
machados, ferramentas, charruas, canos e armamento.
 O processo produtivo, entretanto, não sofreu significativa
evolução ao longo dos séculos seguintes. Os fundidos de
ferro cinzento e os fundidos de ferro branco foram
produzidos com poucas mudanças através dos anos.
Apenas em 1638 d.C., foram registrados os primeiros
estudos científicos sobre a resistência dos metais à ruptura,
realizados por Galileu Galilei.

Histórico


Inovações no método produtivo foram feitas no século
XVII, por meio de incarbonização, que consiste na
adição de carbono ao ferro – o que daria origem,
futuramente, ao aço. O processo de fundição em aço
data de 1740 e é atribuído ao inglês Benjamin
Huntsman.
A descoberta, por Réaumur, da descarbonetização dos
ferros fundidos brancos, provendo-lhes maior
ductiilidade em seções finas, ocorreu apenas em 1722.
Histórico


No Brasil, a primeira casa de fundição surgiu por volta
de 1580, em São Paulo, e era destinada à fundição do
ouro extraído das minas do Jaraguá e arredores. No
decorrer do século XVIII, muitas casas de fundição
foram criadas em Minas Gerais, Goiás, Mato Grosso e
Bahia.
A fundição de ferro passou a ser feita a partir do século
XVII e, nos últimos dias do seu domínio, a coroa
portuguesa chegou a construir alguns altos-fornos na
colônia.
Casa de Fundição – Ouro Preto, MG.
Indústria de Fundição


É notável o crescimento da produção de fundidos em
mercados emergentes. Essa é uma tendência natural,
advinda do crescimento dessas economias e das
pressões ambientais maiores nos países desenvolvidos,
que forçam a transferência da produção poluidora para
países em que a legislação ambiental é menos restritiva.
Desde 2007, mais de um terço da produção mundial de
fundidos vem da China, que se destaca como a maior
produtora mundial, com larga vantagem em relação aos
Estados Unidos e à Rússia – respectivamente, segundo
e terceiro colocados.
Indústria Brasileira de Fundição

A produção brasileira de fundidos é de 3 milhões de toneladas
anuais, o que coloca o Brasil na sétima posição do ranking entre
os maiores produtores globais. A indústria brasileira de fundição
gera, aproximadamente, 60 mil empregos diretos.
Indústria Brasileira de Fundição

A produção brasileira de fundidos concentra-se em ligas
ferrosas (90%). As ligas não ferrosas (alumínio, cobre,
magnésio e zinco) apresentam pequena participação na
produção total, mas têm alto valor agregado e boas
perspectivas de crescimento, com destaque para o
alumínio.
Indústria Brasileira de Fundição

Atualmente, o setor automotivo responde por 58% das vendas nacionais
de fundidos. O setor de bens de capital aparece em seguida, com
participação de 13% (mesmo percentual das exportações). A demanda do
setor de siderurgia, que atualmente corresponde a apenas 2% da
demanda de fundidos, já representou 16,5% no passado.
Indústria Brasileira de Fundição

O Brasil é o segundo maior produtor mundial de ferro-gusa e
exporta 69% da sua produção. A produção de ferro-ligas e
alumínio atende plenamente o mercado interno. Os gastos
com matéria-prima representam 57% do custo de produção no
caso de fundidos ferrosos e 42% para não ferrosos.
Generalidades

O objetivo fundamental da fundição é o de dar
forma adequada ao metal, vazando-o em estado
líquido dentro da cavidade de um molde com a
forma desejada. As paredes do molde permitem
retirar o calor do metal líquido, por transferência
térmica, provocando sua solidificação e fixando a
forma final das peças vazadas.
Solidificação

Apesar da extrema simplicidade do objetivo, a
solidificação do metal no molde não ocorre de
maneira passiva. Na realidade, a transformação
“liquidus-sólidus” pela qual passa o metal é de
natureza ativa e dinâmica , já que durante a
mesma ocorrem diversos fenômenos que, se não
forem devidamente controlados, podem
comprometer o desempenho do produto final.
Nucleação

O termo nucleação traduz o modo pelo
qual a fase sólida surge de forma
estável no interior da fase líquida, sob a
forma de pequenos núcleos cristalinos.
 Nucleação homogênea
 Nucleação heterogênea
Crescimento de cristais

O termo crescimento traduz o modo pelo
qual os núcleos crescem sob a forma de
cristais ou grãos cristalinos.
Fenômenos que ocorrem durante a
solidificação - cristalização
Consiste no aparecimento das primeiras
células cristalinas unitárias, que servem
como "núcleos" para o posterior
desenvolvimento ou "crescimento" dos
cristais, dando, finalmente, origem aos
grãos definitivos e à "estrutura granular"
típica dos metais.
 Esse crescimento dos cristais não se dá,
na realidade, de maneira uniforme, ou
seja, a velocidade de crescimento não é
a mesma em todas as direções,
variando de acordo com os diferentes
eixos cristalográficos; além disso, no
interior dos moldes, o crescimento é
limitado pelas paredes destes.

Fenômenos que ocorrem durante a
solidificação - cristalização
A solidificação tem início nas paredes com as quais o
metal líquido entra imediatamente em contato.
 Os cristais formados e em crescimento sofrem a
interferência das paredes do molde e dos cristais vizinhos,
de modo que eles tendem a crescer mais rapidamente na
direção perpendicular às paredes do molde.

Fenômenos que ocorrem durante a
solidificação - cristalização

Zona coquilhada
 Consiste em uma camada periférica em que os
grãos são nucleados na parede do molde e
crescem, competindo uns com os outros. Como a
troca de calor nessa região é rápida, tem-se uma
alta taxa de nucleação, logo os cristais são finos e
crescem equiaxialmente.
Fenômenos que ocorrem durante a
solidificação - cristalização

Zona Colunar
 Em seguida, devido ao fluxo de calor para fora
do molde, cristais crescem preferencialmente
em direção ao seio do líquido. Nesta região os
grão são grandes e alongados.
Fenômenos que ocorrem durante a
solidificação - cristalização

Zona equiaxial central
 Nesta zona os grãos também assumem uma morfologia
equiaxial, porque a transferência de calor se dá em
todas as direções com praticamente a mesma
intensidade. Contudo, tem-se uma taxa de nucleação
reduzida, logo os grãos são mais grosseiros se
comparados aos da zona coquilhada. Devido à
morfologia e distribuição homogênea dos grãos nessa
zona, as ligas tendem a possuir propriedades mecânicas
com comportamento isotrópico.
Cristalização
Refino de grão
A experiência mostra que o desempenho de uma peça
fundida é tanto maior quanto menor for o tamanho médio
dos grãos cristalinos que a constituem, particularmente no
que se refere a suas propriedades mecânicas.
 Na fundição, o refino de grão é conseguido normalmente
através da adição ou inoculação, ao metal líquido de núcleos
de germinação dispersos, com alta potência de nucleação,
sob a forma de partículas finamente divididas.

Refino de grão
Inoculantes
Metais e ligas
Ligas de Magnésio
Alumínio e ligas
Titânio e ligas
Ferro Fundido
Aço comum
Inoculantes
Eficiência relativa
Carbono
Alta
Cloreto de Ferro
Alta
Zircônio
Moderada
Boro
Alta
Titânio
Alta
Nióbio
Moderada
Terras raras
Moderada
Níquel
Moderada
Cobalto
Baixa
Alumínio
Alta
Boro
Alta
Ferro-silício
Alta
Terras raras
Moderada
Nióbio
Moderada
Titânio
Moderada
Fenômenos que ocorrem durante a
solidificação – contração de volume

Os metais, ao solidificarem, sofrem uma contração. Na
realidade, do estado líquido ao sólido, três contrações
são verificadas :
 contração líquida - correspondente ao abaixamento da
temperatura até o início da solidificação;
 contração de solidificação - correspondente à variação de
volume que ocorre durante a mudança do estado líquido para
o sólido;
 contração sólida - correspondente à variação de volume que
ocorre já no estado sólido, desde a temperatura de fim de
solidificação até a temperatura ambiente.

A contração é expressa em porcentagem de volume. No
caso da contração sólida, entretanto, a mesma é
expressa linearmente, pois desse modo é mais fácil
projetar-se os modelos.
Fenômenos que ocorrem durante a
solidificação – contração de volume




A contração sólida varia de acordo com a liga considerada. No caso
dos aços fundidos, por exemplo, a contração linear, devida à
variação de volume no estado sólido, varia de 2,18 a 2,47%, o valor
menor correspondendo ao aço de mais alto carbono (0,9%).
No caso dos ferros fundidos - uma das mais importantes ligas para
fundição de peças - a contração sólida linear varia de 1 a 1,5%, o
valor de 1% correspondendo ao ferro fundido cinzento comum e o
valor 1,5% (mais precisamente de 1,3 a 1,5%) ao ferro nodular.
Para os outros metais e ligas - a contração linear é muito variada,
podendo atingir valores de 8 a 9% para níquel e ligas cobre-níquel.
A diferença entre os volumes no estado líquido e no estado sólido
final dá como consequência o vazio ou rechupe
Fenômenos que ocorrem durante a
solidificação

Os vazios citados podem
eventualmente ficar
localizados na parte interna
das peças, próximos da
superfície; porém, invisíveis
externamente. Além dessa
consequência - vazio ou
rechupe - a contração
verificada na solidificação
pode ocasionar :
 aparecimento de trincas a
quente;
 aparecimento de tensões
residuais.
Fenômenos que ocorrem durante a
solidificação

Os vazios ou rechupes
que constituem a
consequência direta da
contração podem
também ser controlados
ou eliminados, mediante
recursos adequados, seja
no caso de lingoteiras,
seja no caso de moldes
para peças fundidas
Fenômenos que ocorrem durante a
solidificação - segregação



Algumas ligas metálicas contêm impurezas
normais, que se comportam de modo diferente,
conforme a liga esteja no estado líquido ou
sólido. O caso mais geral é o das ligas Fe-C que
contêm, como impurezas normais, o P, o S, o
Mn, o Si e o próprio C.
Quando essas ligas estão no estado líquido, as
impurezas estão totalmente dissolvidas no
líquido, formando um todo homogêneo. Ao
solidificar, entretanto, algumas das impurezas
são menos solúveis no estado sólido: P e S, por
exemplo, nas ligas mencionadas. Assim sendo,
à medida que a liga solidifica, esses elementos
vão acompanhando o metal líquido
remanescente, indo acumular-se, pois, na última
parte sólida fornada.
Nessas regiões, a concentração de impurezas
constitui o que se chama segregação.
Fenômenos que ocorrem durante a
solidificação – gases

Esse fenômeno ocorre, como no caso
anterior, principalmente nas ligas Fe-C.
O oxigênio dissolvido no ferro, por
exemplo, tende a combinar-se com o
carbono dessas ligas, formando os
gases CO e CO2 que escapam
facilmente à atmosfera, enquanto a
liga estiver no estado liquido. À
medida, entretanto, que a viscosidade
da massa liquida diminui, devido à
queda de temperatura, fica mais difícil
a fuga desses gases, os quais acabam
ficando retidos nas proximidades da
superfície das peças ou lingotes, na
forma de bolhas.
Fornos para fundição

Fornos mais comumente utilizados nas
fundições:
 Cúpulas (Cubilô)
 Cadinho
 Fornos de arco elétrico
 Fornos de Indução
Fornos para fundição - Cubilô
Os primeiros fornos cubilô foram construídos há mais de
um século. Eles surgiram antes da Primeira Guerra
Mundial, mas com características básicas, que foram
evoluindo até chegar aos fornos modernos, de última
geração e totalmente automatizados.
 No Brasil, o primeiro forno cubilô moderno foi instalado
1982, na Sofunge, naquela época a maior fundição do
país.
 O segundo cubilô moderno do Brasil, com capacidade
para produzir de 20 a 22 toneladas por hora, foi
inaugurado em 2001, na Luk, cuja fundição ficava em
Mogi Mirim (SP) e sua fábrica de freios em Sorocaba
(SP).
 O terceiro começou a funcionar em 2005, na Teksid do
Brasil, a empresa fundidora controlada pela Fiat, em
Betim (MG).

Fornos para fundição - Cubilô

Na sua essência o forno cubilô
é um forno de fusão, cuja
função é derreter a carga
metálica utilizando como fonte
de calor um combustível
sólido, aquela pedra de carvão
mais conhecida como coque.
Ele é, portanto, um forno de
fusão com combustível sólido.
No entanto, para atender à
demanda dos países árabes
produtores de petróleo, há
cerca de 20 anos foi inventado
um forno cubilô que utiliza gás
como combustível.
Fornos para fundição - Cubilô
O Cubilô é o forno mais usado para produzir
ferro fundido cinzento. O cubilô é um forno
cuja altura é de três a cinco vezes o seu
diâmetro. É construído em um base de aço
que é de (10 mm) de densidade e que está
interiormente forrado com tijolos de argila
refratária. A estrutura inteira é erguida em
pernas ou colunas.
 No o topo do forno, há uma abertura pela qual
o combustível é colocado. O ar que é
necessário para a combustão é soprado pelas
ventaneiras localizadas a aproximadamente
900 mm acima da base do forno.
 Ligeiramente acima da base e na frente, há
um furo vedado e uma calha que permite o
ferro fundido ser coletado. Também há uma
abertura de escória localizada na parte de trás
e acima do nível do furo vedado (porque a
escória flutua na superfície do ferro fundido).

Fornos para fundição - Cadinho


Os fornos a cadinho com
aquecimento a óleo diesel, gás
liquefeito de petróleo - GLP ou gás natural ainda encontram
espaço junto a pequenas e
médias fundições principalmente na área de nãoferrosos.
Há um incentivo governamental
na opção pelo gás natural,
menos poluente, porém isto
demanda, muitas vezes, a
realocação física da fundição
para a proximidade de um
gasoduto.
Fornos para fundição - Cadinho

Três tipos de fornos de cadinho:
 (a) elevação
 (b) estacionário
 (c) forno panela inclinado
Fornos de arco elétrico



O forno de arco elétrico é o tipo mais usado de forno elétrico.
O calor gerado pelo arco elétrico é transferido através de
radiação direta ou por radiação refletida pelo forro interno do
forno. O arco elétrico é gerado entre eletrodos de grafite. Para
controlar a folga entre os dois eletrodos e adequar o controle da
intensidade do calor, um eletrodo é estacionário e o outro é
móvel.
Os fornos de arco elétrico são usados principalmente para
fundir aços e menos usados para fundir ferro fundido cinzento e
alguns metais não-ferrosos.
Fornos de indução

Forno de indução a canal
 Também chamado de forno de
indução com núcleo magnético,
este forno possui um núcleo de
aço magnético - do tipo usado em
transformadores - no qual é
enrolada uma bobina,
normalmente tubo de cobre
refrigerado à água. A aplicação de
uma diferença de potencial entre
as extremidades da bobina gera
uma corrente alternada (primária)
que induz um campo
eletromagnético alternado no canal
preenchido pelo metal.
 Assim a potência gerada no
secundário depende da corrente
que circula, da resistividade
elétrica e da permeabilidade
magnética do metal.
Fornos de indução

Forno de indução a cadinho
 Também chamado de forno de
indução sem núcleo. Como o
nome diz, possui a geometria
de um cadinho e ausência de
núcleo magnético, quando o
próprio metal que se deseja
fundir funciona como
secundário.
 A corrente induzida no bloco
metálico flui mais na periferia
deste, apresentando um
decaimento exponencial à
medida que penetra no metal.
Metais para fundição
A maioria das peças fundidas comerciais são
feitas de ligas, em vez de metais puros
 As ligas metálicas são geralmente mais fáceis
de fundir e as propriedades do produto são
melhores.
 A ligas de fundição podem ser classificadas
como:

 Ferrosas
 Não Ferrosas
Metais para fundição – ligas ferrosas


Ferro fundido
A mais importante de todas as ligas de
fundição
 A tonelagem de fundição de ferro fundido é várias
vezes maior que de todos os outros metais
combinados
 Vários tipos: ferro fundido cinzento, ferro nodular,
ferro fundido branco, ferro maleável e ferro fundido
de liga
 Temperaturas típica vazamento: ~1400 °C (2500 °F),
dependendo da composição
Metais para fundição – ligas ferrosas

Aço
 As propriedades mecânicas do aço o tornam um
material de engenharia atraente.
 A capacidade de criar geometrias complexas faz da
fundição um processo de fabricação atrativo

Dificuldades na fundição de aço:
 A temperatura de vazamento do aço é superior à
maioria dos outros metais ~1650 °C (3000 °F).
Nestas temperaturas o aço facilmente se oxida,
assim, o metal fundido deve ser isolado do ar.
 O aço fundido tem relativamente baixa fluidez
Metais para fundição – ligas não
ferrosas

Alumínio
 Geralmente considerado muito moldável
 Temperaturas de vazamento baixas devido à baixa
temperatura de fusão do alumínio - Tm = 660 °C (1220
°F)

Propriedades:
 Baixo peso
 Muitas propriedades de resistência devido ao tratamento
térmico
 Fácil de usinar
Metais para fundição – ligas não
ferrosas

Cobre
 Inclui: bronze, latão e alumínio-bronze

Propriedades:
 Resistência à corrosão
 Aspecto atrativo
 Boas qualidades estruturais

Limitação: alto custo do cobre
 Aplicações: acessórios para tubos, pás de hélice marinha,
componentes de bombas hidráulicas, jóias ornamentais
Metais para fundição – ligas não
ferrosas

Zinco
 Boa maleabilidade, muito utilizado na
fundição
 Baixo ponto de fusão:Tm = 419 °C (786 °F)
 Boa fluidez facilitando a fundição

Propriedades:
 Baixa resistência à fluência, depois de
fundidas das não podem ser submetidas a
altas tensões prolongadas