Livro_Fundição

FUNDIO: Mercado, Processos e Metalurgia

Gloria de Almeida Soares

ABRIL DE 2000

DADOS DA AUTORA Professora Adjunta da Escola de Engenharia e da COPPE leciona a

disciplina de Fundio desde 1981, quando foi contratada. Foi tambm

Professora Conferencista dessa disciplina no Instituto Militar de Engenharia em

1983. Obteve seu ttulo de D.Sc. em 1990 com tese que versava sobre Aos

Fundidos para a Indstria Petroqumica. Possui mais de 60 trabalhos publicados e

na rea didtica acumula experincia de ensino como professora de 1o e 3o

grau e como Coordenadora do Curso de Engenharia Metalrgica e de Materiais

da EE, por mais de 4 anos.

Aos que me garantem energia para viver e lutar:

Cludio, Bruno, Viviane

e Ana Clara.

Aos meus alunos

PREFCIO Qual o propsito deste caderno didtico? Como responsvel pela disciplina

de Fundio desde 1981, me deparei com a falta de bibliografia adequada.

Existem bons livros em outras lnguas, abordando, entretanto, outras realidades.

Existem boas publicaes a nvel nacional, porm normalmente restritas a

assuntos especficos. Ao longo desses anos fui sentindo cada vez mais a

necessidade de encontrar alguma publicao que preenchesse essa lacuna: dar

uma viso geral do que a fundio, seu mercado e a base da sua tecnologia,

sem entrar pelos inmeros detalhes tcnicos que se tornam, em pouqussimo

tempo, obsoletos. No me considero especialista no tema, mas o

acompanhamento dos alunos a visitas tcnicas, a participao em congressos e

a leitura de revistas especializadas me deu uma certa vivncia do que hoje o

mercado de fundio no Brasil e como ele se confronta com os demais processos

de fabricao.

Assim, sem pretender que este caderno didtico seja definitivo e completo,

me atrevi a passar para o papel um pouco do que eu li e vivi, acreditando que

este trabalho possa ajudar aos alunos - metalrgicos ou no - a vencer de forma

mais tranqila e agradvel esse tema.

Dos eventuais leitores - alunos ou profissionais - espero contribuies no

sentido de corrigir e aperfeioar este trabalho.

a autora

NDICE

CAPTULO I INTRODUO 01

I.1 - BASE DOS PROCESSOS 01

I.2 - ORGANIZAO DA FUNDIO 02 I.3 - PARQUE BRASILEIRO 03 CAPTULO II FUNDIO EM AREIA 07 II.1 - INTRODUO 07 II.2 - MODELAO 07 II.3 - AREIAS DE MOLDAGEM 16

II.4 - PROCESSOS DE FUNDIO EM AREIA 29

II.5 - MECANIZAO 33 CAPTULO III OUTROS PROCESSOS 38 III.1 - FUNDIO DE PRECISO 39 III.2 - CENTRIFUGAO 42 III.3 - FUNDIO SOB PRESSO 42 III.4 - PROCESSOS HBRIDOS 44 III.5 - CRITRIOS PARA ESCOLHA DO PROCESSO 46 CAPTULO IV TCNICAS DE FUSO 48 IV.1 - FORNOS 48 IV.2 - ROTINAS DE FUSO 62 CAPTULO V SOLIDIFICAO E ALIMENTAO DE PEAS 77 V.1 - SOLIDIFICAO 77 IV.2 - TRANSFERNCIA DE CALOR 81

IV.3 - SISTEMA DE MASSALOTES 87 IV.4 - SISTEMA DE CANAIS 100 CAPTULO V ACABAMENTO E CONTROLE DE QUALIDADE 108 V.1 - ACABAMENTO E INSPEO 108 V.2 - DEFEITOS 111 V.3 - PROJETO 115 CAPTULO VI BIBLIOGRAFIA 118

Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia

1

I - INTRODUO

"A fund io no encont ra para le lo com out ros processos de conformao pe lo fa to de que , em mui tos casos, o mtodo mais s imples e econmico e , em outros , o

n ico mtodo tecn icamente v ive l de se obter uma determinada forma s l ida" (V . Kond ik )

Dentre os processos de fabricao, a fundio se destaca por permitir a produo

de peas com grande variedade de formas e tamanhos (ex.: sinos, ncoras, tubulaes,

implantes ortopdicos, bloco de motor, miniaturas); peas de extrema responsabilidade

como as que se destinam industria aeronutica e aeroespacial (palhetas de turbina, por

exemplo) e peas banais (bueiros, bancos de jardim). A produo pode ser unitria (jias,

implantes e peas artsticas) ou seriada, voltada principalmente para as indstrias

mecnica e automobilstica. lgico que toda essa variedade obtida no com um nico

processo e sim escolhendo-se - dentre os processos disponveis - o que melhor se adapta

s exigncias do cliente e produz o lote encomendado com o mnimo custo dentro do

prazo estipulado.

I.1 - BASE DOS PROCESSOS

O metal lquido vazado num molde, cuja cavidade corresponde ao negativo da

pea que se deseja obter. Para se construir um molde em areia necessrio

primeiramente se fabricar o modelo (adaptao do desenho da pea) e os machos, caso existam furos ou partes ocas. Numa primeira abordagem podemos dizer que o modelo

fabricado em madeira e o molde e o macho em areia. Dessa forma, a partir de um

modelo podemos fabricar n moldes, cada molde dando origem a uma pea fundida.

Paralelamente fabricao do molde, o metal convenientemente fundido. Aps

vazamento e solidificao, a pea retirada do molde, com forma prxima final

precisando apenas passar pelas etapas de acabamento: corte de canais; rebarbao;


2

usinagem; tratamento trmico e soldagem (opcionais); controle de qualidade final e

expedio. Mais a frente sero mencionados outros tipos de modelos e de moldes. A

Figura I.1, abaixo, esquematiza as etapas de fabricao de um molde em areia.

Figura I.1 - Etapas para Produo Manual de um Molde em Areia. Fonte: Solidificao e Fundio de Metais e suas Ligas

I.2 - ORGANIZAO DA FUNDIO

Normalmente a fundio se organiza em torno da moldao, pois nesta seo

que se define a quantidade de metal a fundir; machos a produzir, etc. Entretanto, quando

a fundio est trabalhando bem abaixo da sua capacidade instalada o centro organizador

da mesma se desloca da moldao para a seo de fuso. Este procedimento permite

economizar energia, atravs da concentrao da fuso da carga metlica em deter-


3

minados dias da semana, minimizando assim o custo das peas fundidas, alm de au-

mentar a vida dos refratrios. Neste esquema de produo, a fabricao de moldes e

machos feita de forma a atender ao planejamento das sees de fuso e vazamento.

I.3 - PARQUE BRASILEIRO

Na dcada de 70 a produo brasileira de peas fundidas correspondia a,

aproximadamente, 10% da produo brasileira de ao bruto. Entretanto diversas crises,

em especial a crise do petrleo, atingiram em cheio a indstria de fundio que

despencou do patamar histrico de 1,7-1,8 milhes de toneladas/ano para

aproximadamente 1 milho em 1983, auge da crise no Brasil. A partir de ento houve uma

sucesso de retomadas e crises - como mostra o grfico da Figura I.2 - fruto da

instabilidade poltica por que tem passado o Brasil. Somente em 1994 a produo

retomou os valores obtidos em 80 e 86 e o ano de 1999 acabou fechando com uma

produo inferior a 1600 mil ton. de peas acabadas, que corresponde a cerca de 6,3%

da produo de ao bruto.

Ainda assim, a participao brasileira a nvel mundial tem crescido, com o Brasil

ocupando atualmente o 8o lugar, atrs de EUA, CIS, China, Japo, Alemanha, ndia e

Frana. A tendncia internacional de transferir a produo de fundidos para pases do

terceiro mundo, devido ao, relativamente baixo, custo da mo-de-obra e s regras - me-

nos severas - de controle ambiental vigentes nestes pases. Com isto o produtor brasileiro

tem investido pesadamente na exportao, que no ltimo ano ultrapassou as 300 mil to-

neladas e vem representando um grande incentivo melhoria da qualidade de processos

e produtos.

Excludo: 1997

Excludo: de 1.658


4

1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 20000

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

PR

OD

U

O

AN

UA

L (m

il to

n.)

ANO

Figura I.2 - Produo Anual de Peas Fundidas

Fonte: Associao Brasileira de Fundio - ABIFA

Com a perspectiva de crescimento das indstrias automobilstica / ferroviria e a

recuperao dos setores naval e petroqumico, projetou-se - com excesso de otimismo -

para o ano 2001 uma demanda de mais de 2,8 milhes de ton. de peas acabadas, o que

ultrapassa a capacidade instalada atual que de 2 milhes de ton./ano. Para cobrir esse

dficit o setor precisaria de investimentos da ordem de US$ 1.00 / ton. o que geraria cerca

de 30.000 novos empregos diretos.

A produtividade do setor - que cresceu de 20 ton. / homem.ano na dcada de 80

para 35,3 em 1996 e 37,5 em 1997 - est se aproximando dos padres americanos e

japoneses que apresentam produtividade anual superior a 40 ton. por empregado.

Em termos de metal mais produzido, o ferro fundido disparado o primeiro lugar,

respondendo por cerca de 86% do total de peas fundidas, seguido pelos no-ferrosos

(8,7%) e o ao fundido (5,3%). O setor que mais consome fundidos o automobilstico /

autopeas, absorvendo praticamente 50% do mercado, seguido do siderrgico e o de

bens de capital com 15% cada. Assim a ampliao do parque de fundies a nvel in-terno depende substancialmente do reaquecimento da industria automotiva no pas.

Excludo:

Excludo: projeta-se


5

Estima-se a existncia de 1000 empresas instaladas no pas, embora somente 278

sejam filiadas ABIFA. Isto significa que ao lado de importantes e conceituadas

empresas, convive um grande nmero de fundies de fundo de quintal com,

geralmente, administrao familiar e grandes problemas tecnolgicos. Com o incentivo

cada vez maior s exportaes s resta dois caminhos para essas empresas: o

profissionalismo ou a falncia. A Tabela I.1 resume alguns dados desse cadastramento,

classificando as fundies por setor de atuao e capacidade instalada.

TABELA I.1 - RESUMO DO PARQUE BRASILEIRO (1997)

CAP. INSTALADA (ton./ano)

FERROSOS

NO -FERROSOS

MISTAS

at 600 14 51 15 de 601 a 1.200 25 9 13 de1.201 a 6.000 41 8 12

de 6.001 a 12.000 7 1 6 de 12.001 a 24.000 17 2 1 de 24.000 a 36.000 2

(TECUMSEH e DZ S.A.) - 1

(CSN) de 36.001 a 48.000 -- -- 2

(FORD/TAUBAT e COSIPA) de 48.001 a 60.000 -- -- --

acima de 60.000

5 (TUPY; GEN. MOTORS; COFAP;

TEKSID; ANIS WORKSHOP)

-- 1 (METAL. MOGI)

TOTAL 159 75 23 Fonte: Fundio e Matrias Primas (ABIFA)

A produo de peas fundidas comea com a seleo do processo de fundio, o

detalhamento do projeto e a especificao dos materiais. Uma vez que todas essas

etapas tenham sido vencidas, pode-se ento partir para a fabricao de um lote de

peas-teste, que se aprovado dar incio a produo em larga escala.

O fluxograma da Figura I.1 apresenta, de forma esquemtica, as atividades

envolvidas na seqncia de produo de peas fundidas em moldes de areia. Todos

esses assuntos sero abordados nesta apostila - dividida em seis captulos, mas no


6

necessariamente na ordem em que aparecem no fluxograma, uma vez que certos

assuntos pressupem conhecimentos prvios.

Figura I.3 - Fluxograma da Produo de Peas Fundidas Fonte: Solidificao e Fundio de Metais e suas Ligas


7

II- FUNDIO EM AREIA

"O p rocesso de moldagem em are ia a inda o mais empregado dev ido sua versat i l idade e economia"

II.1 - INTRODUO

Este captulo se dedica a discutir os aspectos relacionados com a fabricao de

moldes que utilizam areia como matria prima, enquanto que os demais processos sero

abordados no Captulo III

.

II.2 - MODELAO: Fabricao de Modelos e de Caixas de Macho

A qua l idade da pea fund ida depende, an tes de mais nada da qua l idade e prec iso

com que o modelo fabr icado

A modelao um setor opcional da fundio, uma vez que essa pode contratar

servios de empresa especializada. Isto por que o modelador - ao aliar a capacidade de

trabalhar a madeira e/ou o metal, com o conhecimento da tecnologia de fundio - se

torna um dos profissionais mais caros dentro da fundio. Entretanto, mesmo que a fun-

dio opte por contratar servios de terceiros para a confeco de modelos e de caixas de

macho, necessrio que a mesma disponha de um mnimo de infra-estrutura para

manuteno e reparo desses componentes.

II.1.1 - MATERIAIS

Tradicionalmente so utilizados para modelos e caixas de macho materiais como

madeira (cedro, pinho e compensado, entre outros), metais (alumnio e ao, principal-

mente) e resinas do tipo epxi (podem ser reforadas com p de alumnio, por ex.). Estes

materiais diferem entre si quanto ao acabamento e a durabilidade que conferiro ao mo-


8

delo. O tempo de vida dos mesmos depende da complexidade e do cuidado no armaze-

namento e manuseio, mas - como uma primeira aproximao - pode-se considerar os

valores apresentados na Tabela II.1, para modelos de pequeno porte.

TABELA II.1 - DURABILIDADE MDIA DE MODELOS

Material No de Moldes madeira 200-300 madeira reforada com metal at 2000 alumnio ou resina epxi at 6000 ferro fundido / ao at 100.000

Fonte: Metals Handbook, vol. 15

Normalmente os modelos utilizados so do tipo bipartidos (Figura II.1b) que, em

relao aos modelos inteirios (Figura II.1a) apresentam a vantagem de agilizar a molda-

o, j que o moldador no precisa se preocupar em acertar a posio do modelo com

relao linha divisria das caixas.

Os modelos podem ser macios (Figura II.2a e II.2b), em esqueleto (Figura II.3a),

chapelona (Figura II.3b) ou gabarito (Figura II.3c). Chapelonas so bastante utilizadas na

confeco de peas de grande porte com eixo de revoluo, como sinos (Figura II.4) e

hlices de navios. A opo por modelos e caixas de macho no-macios pode levar a

uma economia de material e de tempo de execuo do modelo, barateando-os.

Outra forma de classificar os modelos se refere ao fato deles serem individuais

(modelos soltos com marcaes de macho e tolerncias, bipartidos ou no) ou placa-mo-

delo - modelos montados em placa, onde so tambm fixados os canais de alimentao -

, sendo este ltimo tipo utilizado principalmente na moldagem mecanizada.


9

Figura II.1 - Modelo Inteirio e Bi-partido

Fonte: Tecnologia de la Fundicion

Figura II.2 - Modelo Macio Fonte: Ibidem

Figura II.3 - Esqueleto (a), Chapelona (b) e Gabarito (c) Fonte: Ibidem

Figura II.4 - Moldagem de um Sino

Fonte: Foundry Engineering


10

II.1.2 - CRITRIOS PARA ESCOLHA DO MATERIAL

Em primeiro lugar preciso saber se o processo de moldagem selecionado apre-

senta alguma exigncia em termos da fabricao do modelo. Por exemplo, o processo

shell (em casca) - por trabalhar com modelo pr-aquecido - exige que o mesmo seja

confeccionado numa liga metlica. Caso no haja restrio quanto ao material do modelo,

a escolha depender basicamente do lote de peas a fabricar, da tolerncia dimensional e

acabamento requeridos para a pea fundida. preciso lembrar que o custo de um (ou

mais) modelo(s) se diluir por todo o lote encomendado e assim a durabilidade do modelo

escolhido deve ser compatvel com o nmero de peas a fabricar. Exemplificando me-

lhor: no caso do processo shell, a exigncia do modelo metlico faz com que o processo

somente seja vivel economicamente para grandes encomendas.

II.1.3 - OBSERVAES NA CONSTRUO DE MODELOS

A. Partio do Molde:

O fato de um dado modelo no apresentar eixo de simetria significa que ele pode

ser posicionado no molde de seis formas diferentes. Da escolha desse posicionamento

em relao ao plano de partio do molde (normalmente horizontal) depende o nmero de

machos a fabricar, a complexidade destes e eventuais rebarbas difceis de se retirar. A

extrao do modelo tambm pode ser dificultada pela m escolha da posio de pea em

relao caixa, como mostra de forma esquemtica as Figura II.5a e II.5b, sendo a II.5c a

posio considerada correta, para o exemplo em questo. Em peas simples costuma-se

fazer coincidir a maior rea projetada com o plano entre caixas.


11

Figura II.5 - Opes de Posicionamento do Modelo no Molde

Fonte: Tecnologia de la Fundicion

B. Sobre-espessura de Usinagem:

O desenho da pea deve indicar o tipo de trabalho mecnico a ser realizado na

superfcie da mesma, furos a serem feitos ps-fundio, etc. e no projeto da pea fundida

deve haver um acrscimo de medidas correspondente ao que ser removido. Superdi-

mensionar o projeto tambm deve ser evitado pois aumenta o custo de acabamento da

pea. Os acrscimos de sobremetal dependem do metal, da espessura da pea e da po-

sio da superfcie: superfcies superiores exigem maior sobremetal, uma vez que diver-

sos defeitos tendem a se posicionar nas cotas superiores do molde. A Tabela II.2 apre-

senta valores tpicos para moldagem em areia verde.

C. Contrao:

Praticamente todos os metais empregados em fundio se contraem durante o

resfriamento. Aps a solidificao da pea esta contrao ser responsvel pela alterao

das medidas originais do projeto, podendo tambm responder pelo trincamento da

mesma. A Tabela II.3 apresenta valores tpicos de contrao no estado slido para vrios

metais.


12

TABELA II.2 - SOBREMETAL PARA USINAGEM

Espessura aproximada da pea

Acrscimo mdio na superfcie do modelo (mm)

(mm) Ao ferro fundido no-ferrosos at 150 3,2 2,4 1,6 de 150 a 300 4,8 3,2 1,6 de300 a 500 6,4 4,0 2,4 de 500 a 900 6,4 4,8 3,2 de 900 a 1500 6,4 4,8 3,2


Assim o dimensionamento do modelo deve considerar que haver contrao e a

forma mais simples de fazer isto empregar rguas mtricas corrigidas - uma para cada

tipo de metal -, supondo que a contrao seja linear (na verdade volumtrica e depende

de diversos fatores como temperatura do metal, restrio contrao, etc.). Isto, a

princpio, no garante que as dimenses finais da pea estaro dentro das especificaes

de projeto. Entretanto, para cada lote encomendado, costuma-se fundir primeiro duas ou

trs peas para, entre outros aspectos, proceder anlise dimensional e corrigir o mo-

delo, se for o caso.

TABELA II.3 - VALORES TPICOS DE CONTRAO DOS METAIS

Metal % linear ao 2,0

ferro fundido 0,5-1,0 ferro nodular 0,8

alumnio 1,7 lato 1,3-1,6 zinco 2,6

Fonte: Padres de Fabricao para Aos Fundidos

D. ngulo de Sada:


13

o angulo de 1 a 2 utilizado na fabricao do modelo de forma a permitir sua ex-

trao do molde sem danific-lo, como esquematizado na Figura II.6. Dada a

necessidade do modelo ser extrado de dentro do molde recorre-se - s vezes - a caixas

com 3 ou mais andares, a modelos com partes desmontveis ou utilizao de machos

de parede.

E. Pintura:

O modelo e a caixa de macho costumam ser pintados para proteger a superfcie

dos mesmos da eroso pela areia, sendo que as cores empregadas obedecem a um c-

digo pr-estabelecido: vermelho (ferro fundido); azul (ao); verde (alumnio); amarelo

(cobre) e preto (para marcao de macho).

Figura II.6 - ngulo de Sada () Fonte: Tecnologia de la Fundicion

F. Utilizao de Materiais Diversos:


14

bastante comum o emprego de mais de um material na confeco de modelos e

de caixas de macho. Como exemplo podemos citar a utilizao do alumnio e da resina

epxi como reforo de modelos em madeira em reas onde o desgaste mais acentu-

ado. Tambm possvel adicionar ps metlicos s resinas, formando um compsito de

maior resistncia.

G. Nmero de Peas por Molde:

As caixas de moldagem tem tamanhos variados e a forma de se aumentar o ren-

dimento metlico colocar numa caixa o maior nmero possvel de modelos. Com isto se

economiza areia e metal j que um canal de alimentao servir a vrias peas. Assim

quando se diz que um modelo d origem a uma pea, entenda-se que normalmente se

est pensando num conjunto de modelos que daro origem a um molde e, assim, a vrias

peas. No caso de fundio de preciso, que de maneira geral se destina a fabricar pe-

as de pequeno porte pode-se ter um modelo composto de at uma centena de modelos

individuais.

II.1.4 - MANUTENO E ESTOCAGEM

Deve ser tomado todo o cuidado com os modelos e caixas de macho durante o

armazenamento e manuseio pois a madeira dada a empenos e a ser atacada por cu-

pins. Os modelos metlicos tambm podem sofrer com a ao do tempo se no forem

convenientemente estocados. Estes componentes recebem um nmero de identificao

que permite sua recuperao e adaptao para novos empregos. Ocasionalmente o cli-

ente possuidor do seu modelo, cabendo fundio unicamente produzir o molde e va-

zar o metal, mas esta pratica no aconselhvel pois o projeto de fabricao dos mode-

los e das caixas de macho depende do projeto da pea fundida como um todo.


15

II.1.5 - PROTOTIPAGEM

Algumas modelaes e grandes fundies j esto utilizando a fabricao de pro-

ttipos como forma de avaliar - de forma rpida - detalhes construtivos dos modelos e

matrizes. A prototipagem rpida - que produz objetos slidos a partir da informao tri-

dimensional proveniente de um sistema CAD - foi desenvolvida no final da dcada de 80

com o processo de estereolitografia que consiste na solidificao de uma resina foto-

sensvel por um raio laser de luz ultra-violeta. Mais recentemente foram desenvolvidos

novos mtodos como o Modelamento Multijateado que funciona como uma impressora

tridimensional utilizando resina no lugar de tinta, sendo que o cabeote deposita material

camada a camada. Algumas mquinas trabalham tambm com extruso de plsticos do

tipo ABS.

A prototipagem - que est sendo empregada tambm na prpria concepo da

pea fundida - ainda encontra resistncia entre usurios dado ao elevado custo desta

tecnologia e restries quanto ao tamanho do prottipo e necessidade de pessoal es-

pecializado em informtica. No entanto erros de projeto podem ser evitados e como o

tempo de fabricao de um prottipo bastante inferior ao de produo do ferramental

definitivo, a economia pode ser significativa, compensando o investimento inicial.

II.3 - AREIAS DE MOLDAGEM

Are ias e ag lomerantes devem ser c r i te r iosamente esco lh idos para garant i r a

reprodut ib i l idade das propr iedades dos mo ldes


16

Areia de Moldagem um sistema heterogneo constitudo essencialmente de um

elemento granular refratrio (normalmente areia silicosa), um - ou mais - aglomerantes e

um plastificante (gua). Alternativamente a gua pode ser suprimida se o aglomerante

utilizado for lquido.

A areia de moldagem deve apresentar elevada refratariedade, boa resistncia me-

cnica, permeabilidade adequada e plasticidade (ou moldabilidade). J da areia desti-

nada fabricao de machos espera-se, alm dos requisitos exigidos para a areia de

moldagem, boa colapsibilidade, definida como a perda de resistncia da areia aps o in-

cio da solidificao da pea.

II.3.1 - CLASSIFICAO

quanto origem: natural; semi-sinttica ou sinttica. Apesar de j estar "pronta" a areia natural tem sido pouco utilizada dada as suas baixas propriedades.

quanto ao uso: nova ou reciclada. Fundio de areia-verde que trabalhe basicamente com areia usada (reciclada) utiliza cerca de 10% de areia nova para recompor as per-

das durante a reciclagem e manter as propriedades da areia estveis. Na areia reci-

clada so adicionadas tambm pequenas quantidades de aglomerantes e gua.

quanto ao emprego: areia de moldagem (faceamento ou enchimento) e areia de ma-cho.

quanto ao estado de umidade: mida (verde) ou seca (estufada).

II.3.2 - COMPONENTES

A. Areia-base:


17

A areia-base uma areia refratria, normalmente silicosa, sendo que se for origi-

nria de areia de praia deve ser lavada previamente para retirada dos sais. A composio

qumica da areia-base afeta a dilatao trmica da areia, a reatividade com o metal fun-

dido mas, principalmente, a refratariedade do molde. Essa ltima propriedade particu-

larmente importante na fundio de ao.

A granulometria da areia-base afeta a permeabilidade da areia e a penetrao

metlica. Considerando que a distribuio dos gros seja relativamente estreita, quanto

maior for o dimetro desses mais permevel ser a areia (isso bom pois facilita o esco-

amento dos gases) porm maior ser a penetrao metlica, implicando num acabamento

"pobre".

Assim existe um compromisso entre estes dois aspectos e a deciso depender do

metal em questo: ligas de alumnio e magnsio so extremamente fludas sendo neces-

srio se utilizar areias finas para minimizar a penetrao metlica. J ferrosos tendem a

gerar gases, optando-se por areias mais grossas, ou seja, mais permeveis. A Tabela II.4

apresenta a faixa de granulometria adequada a esses materiais.

TABELA II.4 - NDICE DE FINURA RECOMENDADO

Metal IF (AFS) ao fundido 50-90 ferro fundido 80-130 no-ferrosos 90-160

Fonte: Processos Shell: Materiais e Tecnologia

O formato dos gros de areia podem variar de redondos a angulares, passando

pelos semi-angulares. No h um consenso quanto a geometria ideal para os gros,

com uma leve tendncia de preferncia para os gros angulares que promovem uma

melhor amarrao dos moldes, ou seja, um molde mais denso e menos permevel.


18

B. Aglomerantes:

So materiais que envolvendo e ligando entre si os gros conferem areia, aps

compactao, secagem ou reao qumica, as caractersticas necessrias ao processo

de moldagem, isto , resistncia s solicitaes dinmicas, estticas e trmicas provoca-

das pelo metal fundido. Para um dado aglomerante, com o aumento do seu teor aumenta

a resistncia e a dureza da areia e diminui a permeabilidade, conforme esquematizado

na Figura II.7 para areia aglomerada com leo. Os aglomerantes se subdividem em

aglomerantes inorgnicos, orgnicos e sintticos.

aglomerantes inorgnicos: a resistncia atingida atravs da socagem, sendo que essas substncias tendem a sinterizar quando em contato com o metal fundido, o que

dificulta a desmoldagem. So eles: argila; bentonita - que um tipo de argila com

maior poder aglomerante - e cimento. Argila e/ou bentonita so os aglomerantes

clssicos das areias verdes reciclveis, enquanto que o cimento - devido baixssima

colapsibilidade - praticamente no mais utilizado.

Figura II.7 - Variao da Resistncia e Permeabilidade com a Composio da Areia Fonte: Foundry Technology


19

aglomerantes orgnicos: a resistncia atingida atravs de uma leve socagem se-guida de uma secagem do molde ou macho - j prontos - em estufa, sendo que a re-

sistncia final pode ser superior alcanada com aglomerantes inorgnicos. Como

vantagem adicional apresenta tambm boa colapsibilidade. Com o advento das resi-

nas os aglomerantes orgnicos naturais cairam em desuso. Exemplos: accares; me-

lao de cana; amido de milho (maizena); leos; etc.

aglomerantes sintticos: Existem basicamente duas classes de resinas: as termoendu-recveis (polimerizam pela ao do calor) e as autoendurecveis (ou de cura a frio). A

utilizao de resinas como aglomerante cresce dia a dia, pois conferem excelente re-

sistncia aliada a uma boa colapsibilidade e capacidade de se fabricar sees finas,

compensando o elevado custo desse insumo. Assim, os fundidores dispem hoje de

uma enorme gama de resinas e catalisadores para os mais diversos fins. Um desafio

que persiste a reduo da toxidez dessas substncias.

II.3.3. - AREIAS NO-SILICOSAS, ADITIVOS E TINTAS

A. Areias No-silicosas:

A opo por uma areia-base no-silicosa parte da constatao de que a areia sili-

cosa apresenta - quando comparada com outras composies - inmeras desvantagens

como elevada expanso volumtrica (Figura II.8) e elevada reatividade com o metal

fundido. Entretanto, pelo menos em pases como o Brasil - com imensas reservas de

areia silicosa e grande litoral - fica mais barato se contornar os problemas advindos da

utilizao de areia silicosa do que substitui-la. Das areias no-silicosas podemos citar a

zirconita, que seria a areia ideal em termos de propriedades, no fosse pelo alto custo, e

a de cromita que apresenta maior capacidade de extrao de calor do que a areia


20

comum. Devido a essa caracterstica, algumas vezes, a areia de cromita empregada

como areia de faceamento, quando se pretende acelerar a solidificao.

Figura II.8 - Variao Volumtrica de Diversos Tipos de Areia Fonte: Ibidem

Existem duas formas - no-excludentes - de se minimizar os defeitos decorrentes

da utilizao de areia silicosa: atravs do emprego de aditivos e pela pintura de moldes e

machos.

B. Aditivos:

So substncias que misturadas areia de moldagem, em teores inferiores a 1%,

modificam suas propriedades, minimizando certos tipos de defeitos.

Exemplo 1: A areia silicosa se expande quando exposta a temperaturas da ordem

de 500C - Figura II.8 - o que pode dar origem a defeitos de expanso. Assim, um aditivo que pretenda minimizar este defeito deve ser queimado para deixar espao para a ex-

panso da areia. Para este fim pode-se adicionar areia serragem, p de madeira ou

qualquer outro componente orgnico.


21

Exemplo 2: A areia silicosa muito reativa com o metal fundido, em especial com o

ferro fundido, comprometendo o acabamento da pea. A reao metal-areia se d a partir

da reao do xido metlico com a slica. Assim, um aditivo que gere atmosfera redutora

minimiza a oxidao do metal, melhorando o acabamento do fundido. Para tal costuma-

se adicionar areia de ferrosos p ou moinha de carvo (Carvo Cardiff), conferindo

areia a cor preta caracterstica. Para ligas de magnsio, adiciona-se p de enxofre

areia.

C. Tintas:

A principal funo de uma tinta a criao de uma camada intermediria entre

areia e metal, visando conferir um bom acabamento ao molde ou macho e, por conse-

guinte, pea. A tinta constituda de uma substncia refratria (grafite ou zirconita),

uma substncia aglomerante (bentonita, por ex.) e um solvente (gua ou lcool). A pintura

pode ser feita por pincel, pistola ou imerso, sendo imprescindvel que a camada aplicada

seja fina e que o solvente seja totalmente evaporado por ocasio da queima da tinta,

evitando que a tinta seja mais uma fonte de defeito na pea fundida.

II.3.4 - ENSAIOS E CONTROLE DAS AREIAS DE MOLDAGEM

Quando se trabalha com areias reciclveis (areia-verde) importante monitorar pe-

riodicamente propriedades da areia como resistncia, permeabilidade e teor de umidade,

o que significa ter um controle sobre a qualidade dos moldes produzidos. Esses re-

sultados devem ser registrados graficamente para serem consultados quando da ocor-

rncia de defeitos em determinados lotes de peas.

Para medir a resistncia da areia utilizam-se equipamentos com acionamento hi-

drulico e mltiplas opes de ensaios. Normalmente possvel se medir resistncia


22

compresso (usual); resistncia trao (para areias com elevada resistncia); resistn-

cia ao cizalhamento e flexo (mais importante para machos). Com o equipamento de-

nominado permemetro mede-se a permeabilidade da areia, que dada pela quantidade

de ar que atravessa longitudinalmente um corpo de prova padro. Atualmente j existem

disponveis no mercado equipamentos compactos - como o mostrado na Figura II.9 -

onde, aps a colocao da areia a ser testada, o corpo de prova compactado e sub-

metido a mltiplos testes como ensaios mecnicos diversos e teste de permeabilidade,

entre outros.

J a medida da umidade da areia pode ser determinada atravs da perda de

massa decorrente da secagem - em estufa ou secador - de uma dada quantidade de

areia. Para areias com ligantes orgnicos que poderiam ser evaporados juntamente com

a gua, pode-se usar o mtodo a frio que consiste na reao da gua com Carbureto de

Clcio, gerando gs acetileno. Assim, a quantidade e gs formado proporcional umi-

dade da areia e existem dispositivos que indicam esse valor automaticamente.

Figura II.9 - Equipamento Multi-Teste para Areias Fonte: Catlogo George Fischer


23

Outros ensaios gerais (anlise granulomtrica da areia, teor de argila da areia

base) ou especficos (como fluidez da resina, por exemplo) tambm podem ser realiza-

dos.

Normalmente a areia-base comprada vem acompanhada da composio qumica

mdia e da anlise granulomtrica. A granulometria dada pelo ndice de Finura (IF) que

corresponde mdia ponderada da massa retida em cada uma das peneiras de uma s-

rie padro. Normalmente se utiliza a srie da AFS (American Foundrymens Society) e a

escolha do I.F. depende do metal a ser fundido, como mostrado na Tabela II.4.

II.3.5 - RECICLAGEM E RECUPERAO DE AREIAS DE MOLDAGEM

A. Reciclagem:

A areia de moldagem a ser reciclada precisa passar por determinadas etapas an-tes de ser empregada novamente. Isto por que aps a desmoldagem a areia se encontra

quente, com torres e partculas metlicas. Assim, a fundio que opte por trabalhar com

areia-verde deve possuir instalao de reciclagem da areia, visando a reutilizao desta.

Para isso so necessrios equipamentos de transporte (correias, elevadores, etc.), de

armazenamento (silos), peneiras (para eliminar parte dos finos e torres), separadores

magnticos (para separar partculas ferrosas), etc.

A instalao de Reciclagem pode variar quanto sofisticao maior ou menor dos

equipamentos (por. ex. a desmoldagem pode ser manual - com marreta - ou feita em

desmoldadores vibratrios) e no layout, dependendo do p direito e da rea fsica

disponvel. A Figura II.10 mostra um fluxograma das etapas principais constantes de uma

planta de reciclagem de areia. A etapa de resfriamento de areia importante,


24

principalmente, em fundio de ao, pois a cada reciclagem a temperatura da areia vai se

elevando.

Ao fim dessas etapas preciso se adicionar gua (para recuperar a umidade ini-

cial) e, s vezes, aglomerantes, o que feito no misturador. A Figura II.11 mostra uma

foto do misturador Simpson que funciona com duas ms e duas ps e na Figura II.12 so

apresentadas fotos de outros dois tipos de misturadores. Esses equipamentos so utili-

zados tambm no preparo de diversas composies de areias, como areia-silicato, areia-

resina, etc. No caso de areias ligadas com resinas de cura a frio a preferncia deve re-

cair sobre misturadores contnuos, cuja capacidade seja compatvel com a necessidade

de areia, j que essa composio no pode ser estocada. A preparao de areias shell

mais complexa: assim a maior parte das fundies opta por comprar a mistura - normal-

mente denominada de areia coberta - j pronta.

Figura II.10 - Etapas da Reciclagem de Areias


25

Figura II.11 - Misturador Simpson para Areia de Moldagem Fonte: Foundry Technology

Figura II.12 - Misturador: (a) de Ms Horizontais - Catlogo Kttner do Brasil e (b) tipo Turbina - Catlogo George Fischer

B. Recuperao:


26

Aps um nmero no-determinado de reciclagens a areia pode se encontrar es-gotada. Isto observado atravs do acompanhamento das propriedades da areia, que

tendem a apresentar uma baixa na refratrariedade e na permeabilidade. A refratariedade

decai em decorrncia da formao de camadas sucessivas de aglomerantes ao redor dos

gros de slica, enquanto que a produo excessiva de finos gerados no socamento do

molde e no removidos durante a reciclagem da areia faz decrescer a permeabilidade.

Neste momento deve-se optar por trocar toda a areia ou proceder recuperao da

mesma.

O processo de recuperao de areia tambm pode ser adotado para areias no-

reciclveis e consiste em se retirar a camada aglomerante que envolve os gros da areia

e proceder a uma classificao da mesma. Aps estas operaes a areia considerada

praticamente nova, sendo que o ndice de recuperao varia de 50% (processo seco) a

praticamente 100% (processo mido + trmico).

O processo mais simples e barato consiste na retirada do aglomerante, a seco, por

atrito entre os gros, usando-se britador ou clulas pneumticas. O processo mido re-

sulta num rendimento mais elevado, mas o gasto energtico muito alto e a gua tem

que ser tratada antes do descarte. Por exemplo uma instalao para recuperao de areia

de silicato com capacidade de 5 ton./h consome 680 litros de gua/min. Em areias com

resinas ou aglomerantes orgnicos pode se usar o processo trmico normalmente em

combinao com o processo seco ou mido. A calcinao da areia feita entre 800 e

1000C em fornos rotativos - forno com 1m de dimetro e 4 m de altura pode recuperar 1 ton./h - ou leito fluidizado.

Um fator limitante ao emprego de processos de recuperao de areias que areias

de diferentes composies no podem ser tratadas em conjunto e os "pacotes" de

equipamentos para recuperao so caros. Alm disso, o baixo custo da areia nova no

Brasil contribui para a no-disseminao desses procedimentos. Na prtica o que algu-

mas fundies tem feito a recuperao de alguns tipos de areia atravs de solues ca-

seiras, isto , utilizando fornos ou pequenos britadores desativados.


27

O tratamento conjunto de areias de diferentes fundies poderia ser um caminho

para viabilizar a recuperao dessas areias. Isto seria possvel com a criao de plos -

existe um em funcionamento em So Paulo e o projeto de um para o Rio de Janeiro. As-

sim as empresas participantes do plo poderiam no s recuperar a areia de forma eco-

nmica, como tambm repartir custos de laboratrios (anlise qumica e ensaios) e cen-

tralizar compras de matrias primas.

Como mais uma opo s areias de fundio que no tenham sido recicladas ou

recuperadas existe a possibilidade de utiliz-las em novas aplicaes, como na produo

de concreto, tijolos e asfalto. Devido ao alto custo do descarte de areia que varia de US$

20.00 a U$ 100.00 por ton., em funo do tamanho da fundio e de sua localizao -

custos estes que tendero a crescer com as novas normas de proteo ambiental - v-

rias empresas esto comeando a encarar a areia de fundio como matria prima ao in-

vs de simples descarte.


28

II.4 - PROCESSOS DE FUNDIO EM AREIA

Em ordem crescente de qua l idade do molde ou macho - def in ida como

res is tnc ia e levada a l iada capac idade de obteno de sees f inas - temos: are ia-verde; s i l ica to de sd io ; a re ia- res ina e she l l

II.4.1 - DESCRIO DOS PROCESSOS MAIS EMPREGADOS

A. Areia-Verde:

Processo bastante empregado por ser simples, verstil e barato; trabalha com

areia reciclvel e moldagem manual (Figura I.1) ou mecanizada. Entretanto a resistncia

final no muito elevada, sendo considerado um molde no-rgido, isto , capaz de ceder

sob a presso do metal. Na prtica isto significa trabalhar com maior sobremetal para

acabamento, como forma de garantir as dimenses previstas no projeto e massalotes de

maior dimetro para se evitar os rechupes.

B. Silicato / CO2 :

O macho ou molde confeccionado com uma areia contendo silicato de sdio como

aglomerante em seguida submetido a uma gasagem com CO2 . A resistncia final de-

pende do mdulo do silicato - relao SiO2:Na2O -, do tempo de gasagem e do tempo de

estocagem, sendo que para melhorar a colapsibilidade so adicionados aditivos orgni-

cos - tais como serragem - areia de moldagem . A Figura II.13a mostra como a resis-

tncia do componente - macho ou molde - varia com o tempo de gasagem e a relao

SiO2:Na2O e na Figura II.13b pode ser observada a evoluo da resistncia com o tempo

de estocagem, para um silicato com mdulo igual a 2. Como normalmente os machos

so estocados por um ou mais dias, preciso levar esse tempo em conta quando da ga-

Excludo: temos:


29

sagem, a fim de evitar que ocorra queda na resistncia durante o armazenamento dos

mesmos.

Figura II.13a - Variao da Resistncia da Areia com o Mdulo do Silicato e o Tempo

de Gasagem Fonte: Liquid Carbonic

Figura II.13b - Variao da Resistncia da Areia com o Tempo de Gasagem e de

Estocagem Fonte: Ibidem

C. Areia-resina:

Esse grupo engloba a utilizao - como aglomerante - de diversos tipo de resinas de cura a frio, em processos denominados Cura a Frio e Cold Box (ou Caixa Fria). O

tempo de cura e a resistncia final dependem da quantidade de resina (de 1 a 2% e do

tipo e quantidade do catalisador (de 20 a 40% do peso de resina). No caso do processo

Cold Box o catalisador bsico do tipo amina pulverizado junto a um gs de arraste, po-

limerizando a resina. Esses processos por dispensarem estufagem e longos tempos de

secagem praticamente desativaram processos antigos como areia-seca, areia-cimento,

entre outros. Apesar do custo elevado da resina e da possibilidade de algumas gerarem


30

gases nocivos pea e sade do moldador, a qualidade e a rapidez de obteno dos

moldes ampliou a demanda por machos e moldes obtidos a partir desses processos.

D. Shell moulding (moldagem em casca):

Como resposta aos requisitos crescentes de qualidade tem havido expanso da

utilizao desse processo. Como exemplo podemos citar a produo de fundidos em ferro

nodular em substituio a peas de ao fundido ou forjado, com custo menor. Tambm

muitas das peas fabricadas originalmente em areia-verde so atualmente produzidas

pelo processo shell.

A forma mais simples consiste na fabricao de partes do molde com auxlio de re-

cipiente basculante, sob ao da gravidade, como esquematizado na Figura II.14. Neste

caso a placa modelo aquecida (a) e posicionada sobre o reservatrio (b). Com o bas-

culamento do conjunto (c) a casca formada - a espessura desta depende do tempo de

contacto e da temperatura da placa - sendo o conjunto novamente basculado (d). Resta

ainda o aquecimento da casca para completar a cura (e) e a ejeo da mesma (f).

Todas essas etapas so geralmente mecanizadas, adequando o processo pro-

duo de peas seriadas. A Figura II.15 mostra um molde (aberto) para produo simult-

nea de 4 peas. Cada molde composto de duas placas (cascas), normalmente verticais

que so acondicionados em caixas preenchidas com areia ou granalha de ao para sus-

tentao dos moldes. Existe uma limitao de peso do fundido, em funo da resistncia

da casca e devido ao alto custo da placa-modelo, o processo s se viabiliza para lotes

superiores a 1000 peas.


31

Figura II. 14 - Produo de Moldes Shell em Mquinas de Moldar com

Reservatrio Basculante por Ao da Gravidade Fonte: Processo Shell: Materiais e Tecnologia

Figura II.15 - Molde Shell Aberto Fonte: Foundry Technology


32

II.5 - MECANIZAO

"Como a fund io organ iza sua produo de moldes e machos?"

Por que se compacta a areia? No processo areia-verde a resistncia do molde

atingida unicamente atravs da socagem. Assim, a socagem tem como objetivo aumentar

a densidade aparente da areia, at valores da ordem de 1,6 g/cm3, fazendo com que a

resistncia e a permeabilidade do molde sejam adequadas (Figura II.16). Nos demais

processos, nos quais a resistncia atingida atravs de reaes qumicas, a socagem,

feita, apenas, com o intuito de garantir a conformao de todos os detalhes do modelo.

Figura II.16 - Variao da Resistncia e Permeabilidade do Molde com sua Densidade Fonte: Ibidem


33

Normalmente a fundio subdivide sua produo em trs grupos fisicamente dis-

tintos:

GRUPO 1 - moldagem manual de pequenos lotes: um nmero reduzido de peas en-comendadas pode inviabilizar a fabricao de placas-modelo, justificando a moldao

manual.

GRUPO 2 - moldagem mecanizada e/ou automatizada: em fundio com trabalho seri-ado a maior parte da carteira" da mesma deve estar enquadrada nesta categoria, dada

alta produtividade alcanada pelas mquinas compactadoras.

GRUPO 3 - moldagem de grandes peas: peas de grande porte, normalmente em en-comendas unitrias, no podem ser produzidas atravs das mquinas de moldar con-

vencionais por extrapolar suas capacidades. Assim a moldagem se far manualmente

ou com auxlio de mquinas de projeo centrfuga, com capacidade de compactar de

200 a 500 kg de areia/min (Figura II.17).

Figura II.17 - Compactao por Projeo Centrfuga


Na compactao mecanizada convencional - grupo 2 - temos os seguintes tipos de

mquinas: impacto; compresso e impacto + compresso. Quase todas as fundies


34

trabalham com mquinas do tipo impacto + compresso (Figura II.18), com vistas a

equalizar a densidade, e por conseguinte a dureza da areia, embora j sejam produzidas

mquinas do tipo alto impacto, em que a compactao atingida numa nica operao de

apenas 0,2 segundos, com resultado uniforme.

Figura II.18 - Mquina de Socamento por Impacto e Compresso

Fonte: Solidificao e Fundio de Metais e suas Ligas

No caso mais comum da fundio trabalhar com placas-modelo simples (de uma

face) aloca-se duas mquinas para cada linha de produo, quando uma produz caixas

inferiores e a outra produz caixas superiores. Aps a compactao, a caixa inferior

invertida, o macho nela colocado e a caixa superior entra fechando o conjunto, como

esquematizado na Figura II. 19 . possvel se trabalhar com uma mquina por linha, mas

neste caso a placa-modelo deve ser do tipo duas faces e o manuseio das caixas fica mais

difcil.

Linhas automatizadas para a confeco de moldes podem ser empregadas em

fundies que trabalham com elevada capacidade de produo. Nesses sistemas, prati-

camente todas as operaes podem ser realizadas automaticamente, alcanando produ-

tividade de at 150 moldes/hora, para moldes pequenos.


35

Figura II. 19 - Linha de Moldagem em Paralelo

Fonte: Foundry Technology

J na fabricao de machos, existe a opo de se adaptar mquinas de moldar

produo de machos ou, melhor ainda, investir em mquinas especialmente projetadas

para a fabricao de machos. Neste caso a areia soprada diretamente nas caixas, em

mquinas com capacidade de sopro de at 36 kg e elevada produtividade; trabalham com

areias de diversas composies, sendo que a gasagem pode ser feita na prpria

mquina. A Figura II.20 mostra uma mquina de sopro para a produo de machos de

at 5 kg cada e ciclo de 20 s., sendo que na Figura II.21 est esquematizado o ciclo de

fechamento da caixa (1); sopro de areia (2); gasagem (3); abertura da caixa (4); retirada

do macho (5) e por fim limpeza da caixa (6). Dependendo do peso individual do macho, a

cada ciclo podem ser produzidos 4 ou mais machos.

Dos processos de fabricao de machos os mais utilizados tem sido o silicato/CO2,

areia-resina e o shell moulding, que conferem, em ordem crescente , maior resistncia,

maior capacidade de obteno de sees finas e geram machos mais caros. Assim,

machos mais complexos e de paredes finas so normalmente produzidos por shell

moulding.


36

Figura II.20 - Mquina de Soprar Machos

Fonte: Catlogo Mecnica Industrial Vick Ltda

Figura II.21- Ciclo de Fabricao de um Macho

Fonte:Catlogo Loramendi S.A.

III - OUTROS PROCESSOS

"Os processos de moldagem competem ent re s i e com os demais p rocessos de fabr icao"


37

Os processos discutidos no Captulo anterior se enquadram no grupo modelo no-

perecvel em molde perecvel apresentados na Tabela III.1 abaixo. Isto significa que o

modelo apresenta um tempo de vida que depende do material empregado na sua

fabricao, enquanto que a forma do molde perdida aps cada vazamento, podendo o

material com que confeccionado o molde ser - ou no - reaproveitado. Esse grupo pode

ser considerado o principal, uma vez que - dada a sua versatilidade e baixo custo -

responde pela maior parte da tonelagem de peas produzidas.

Os demais processos listados nessa Tabela so mais - ou menos - intensamente

utilizados em funo das caractersticas que conferem s peas e ao aporte de tecnolo-

gia envolvido. Em seguida so dadas algumas caractersticas dos processos mais difun-

didos e dos processos que conjugam fundio e forjamento.

TABELA III.1 - PRINCIPAIS PROCESSOS DE MOLDAGEM

GRUPO PROCESSO MODELO MOLDE LIGAS modelo e molde microfuso cera ou plstico pasta cermica quaisquer

perecveis molde cheio poliestireno areia fluida quaisquer

modelo no-perecvel; molde perecvel

areia-verde silicato

areia-resina shell

metlico (shell); madeira, epxi ou metlico (para os

demais)

areia + aglome-rantes + aditivos

+ gua (opcional)

quaisquer

modelo no-perecvel; molde semi-perma-

nente

grafite gesso

borracha

madeira ou epxi

grafite gesso

borracha

ligas no-ferrosas

molde perma-nente

dispensvel

metal (coquilha)

quaisquer, menos ao

molde permanente centrifugao no existe metlico quaisquer sob-presso dispensvel metal (matriz) Zn, Al e Mg

Fonte: Fundamentals of Metal Casting (adaptao)

III.1 - FUNDIO DE PRECISO (MICROFUSO)


38

Este processo uma adaptao - relativamente recente - do processo "cera

perdida" utilizado desde a antigidade, na produo de jias e utenslios domsticos,

apresentando como grande vantagem a liberdade de formas, excelente acabamento e

estreita tolerncia dimensional. Em sua vertente artstica, a partir da escultura feita em

barro confeccionado um modelo em cera. Este recoberto com gesso e bandagens,

sendo que durante a secagem do molde a cera derretida, deixando a cavidade livre para

preenchimento pelo metal.

Dos processos de fundio, este um dos que possui maior aporte tecnolgico,

competindo com produtos usinados ou conformados a partir de ps. As etapas: fabricao

do modelo em cera; revestimento do modelo; estufagem (100 a 120C por 24 a 48 h);

calcinao do modelo (650 a 1000C por 12 horas) esto esquematizadas na Figura III.1.

Por esse processo so produzidas palhetas de turbina, componentes de armas e prte-

ses, entre outros. Os principais metais empregados so: aos, aos especiais e ligas de

nquel e de titnio.

O molde produzido a partir do revestimento do modelo com lamas cermicas de

elevada refratariedade. Devido baixa permeabilidade desses moldes foi desenvolvido o

vazamento CLA (Counter-gravity Low-pressure Casting) que consiste na suco do metal

atravs da diminuio da presso ao redor do molde, como esquematizado na Figura

III.2. Alm de garantir um melhor preenchimento das sees finas, com esse mtodo os

canais so reduzidos a uma seo mnima do canal de ataque, j que o restante - ainda

no solidificado - retorna panela.


39

Figura III.1 - Etapas para Obteno de uma Pea Microfundida

Fonte: Catlogo Fupresa-Hitchiner

Figura III.2- Comparao do Vazamento Convencional e CLA Fonte: Catlogo Fupresa-Hitchiner

No caso especfico de fabricao de palhetas de turbina esse o nico processo

de fabricao indicado dada a geometria, espessuras e o acabamento requeridos para

esses componentes. Alm disso o desenvolvimento de ligas metlicas para aplicaes


40

em altas temperaturas evoluiu no sentido de se passar da solidificao convencional para

a solidificao direcional (obtendo-se gros colunares) e mais recentemente para a

produo de palhetas em monocristal, maximizando a resistncia fluncia.

A Figura III.3 mostra o molde cermico j pronto e as palhetas aps a remoo do

mesmo. Para garantir a formao de gros colunares o conjunto molde-metal aquecido

e depois resfriado direcionalmente. J para a obteno dos monocristais colocado uma

constrico no molde de forma a somente um cristal ultrapassar essa barreira, como es-

quematizado na Figura III.4

.

Figura III.3 - Molde para Fabricao de

Quatro Palhetas de Turbina Fonte: Heat Treatment, Structure and

Properties of Nonferrous Alloys

Figura III.4 - Solidificao de uma Palheta em

Monocristal Fonte: Ibidem

III.2 - CENTRIFUGAO


41

Atravs desse processo se produz tubos de ferro fundido nodular para transporte

de gua e esgoto, sem costura, com elevada produtividade (cerca de 100 tubos/ hora). O

tubo obtido a partir do vazamento do metal num molde (cilindro oco) que gira de 400 a

2000 rpm. A fora centrfuga decorrente suficiente para que o metal no s no

escorra, como para garantir uma macroestrutura colunar praticamente livre de defeitos.

Outra aplicao a fabricao por centrifugao de tubos (para indstria petroqumica) e

cilindros (para laminadores, com dupla camada e cerca de 9 ton. cada, aps usinagem).

Na rea de no-ferrosos, a centrifugao tambm bastante empregada para a produo

de buchas e mancais em ligas de cobre. A Figura III.5 mostra o vazamento de um tubo,

segundo o mtodo - De Lavaud - utilizado pela Cia Metalrgica Barbar para a fabricao

de tubos de ferro nodular.

Figura III.5 - Produo de Tubos sem Costura por Centrifugao Fonte: Foundry Technology

III.3 - FUNDIO SOB PRESSO

O processo de injeo de metal sob presso e o de injeo de polmeros so si-

milares, mas devido ao desgaste acentuado das matrizes metlicas, a injeo de metais

fica restrita aos no-ferrosos de baixo ponto de fuso, principalmente ligas de alumnio e

ligas de zinco. O acabamento das peas excelente e o limite de peso dado pela

capacidade de fechamento da mquina que opera hidraulicamente. Em mquinas do tipo

cmara quente (mais empregadas para ligas de zinco) opera-se com presses da ordem

de 3 a 30 MPa, obtendo-se de 7 a 10 injees/min. Como cada matriz costuma ser do tipo


42

multi-cavidades isto gera uma elevada produtividade. O alto custo da matriz metlica

viabiliza esse processo somente para lotes superiores a 5000 peas, sendo que uma

matriz fabricada num ao resistente ao calor tem durabilidade de 100.000 ou mais

injees, no caso de se trabalhar com a liga - base de zinco - ZAMAC.

A Figura III.6 mostra de forma esquemtica a injeo de metal numa mquina do

tipo "cmara fria" (o metal transferido da panela para a mquina) com injeo horizontal,

utilizada principalmente com ligas de alumnio ou de cobre. Peas produzidas por esse

processo possuem paredes finas, apresentando excelente acabamento e boa tolerncia

dimensional.

Entretanto grande parte das peas produzidas por este processo (carcaa de m-

quina fotogrfica, painis e maanetas de automveis, interruptores, etc.) tem sido subs-

titudas por similares de plstico injetado a um custo significativamente inferior, compro-

metendo, entretanto, a resistncia e consequentemente a durabilidade da pea. Como o

conceito de durabilidade tem se alterado ao longo das dcadas, temos que nos preparar

para conviver com a efemeridade desses componentes . Restam ainda - fabricados em

metal - miniaturas metlicas e carburadores, entre outros.

Figura III.6 - Mquina de Injeo do Tipo Cmara Fria

Fonte: Ibidem


43

III.4 - PROCESSOS HBRIDOS

Os processos que conjugam fundio e conformao mecnica tem tido cada vez

mais penetrao no mercado - principalmente na rea de no-ferrosos - pela possibilidade

de se fabricar peas com elevada resistncia, sees mais finas e quase que total

ausncia de defeitos.

O processo "squezze casting" - desenvolvido nos EUA na dcada de 60 - tam-

bm denominado de "liquid-metal forging", indicando que a presso (da ordem de 70

MPa) exercida sobre o metal durante a sua solidificao, o que garante uma pea com

maior densidade do que o fundido convencional. Por esse processo - esquematizado na

Figura III.7 - so atualmente produzidas peas como pistes, rodas e flanges em ligas de

alumnio.

Figura III.7 - Etapas do Processo "Squezze Casting"


J o processo " Semisolid Forging" - desenvolvido na dcada de 70 - se destina

tambm produo de peas "near net shape" ou "net shape", que dispensam acaba-


44

mento e consiste de duas etapas. Primeiramente o lquido vigorosamente agitado no

incio da solidificao a fim de quebrar a estrutura dendrtica. Numa segunda etapa o

bloco solidificado novamente aquecido e ento a pea forjada. As etapas, mostradas

na Figura III.8 de forma esquemtica, podem ser totalmente automatizadas garantindo

elevada produtividade.

Comparativamente ao processo de fundio em moldes permanentes por gravi-

dade, este processo gera peas mais finas (e por conseguinte mais leves) e com maiores

resistncia e elongao, dada a microestrutura refinada. A produtividade chega a atingir

90 peas por hora; assim o alto custo da mquina pode - como ser visto a seguir - ser

diludo pelo elevado nmero de peas fabricadas, viabilizando o processo para grandes

encomendas.

Figura III.8 - Etapas de Fabricao de uma Pea por "Semisolid Forging"

Fonte: Catlogo Bhler

III.5 - CRITRIOS PARA A ESCOLHA DO PROCESSO

Primeiramente preciso verificar se cada um dos processos existentes - incluindo

a os de areia - adequado ao:

tamanho e geometria da pea tipo de liga a ser fundida acabamento e tolerncia dimensional exigidas nmero de peas encomendadas


45

Restando dois ou mais processos tecnicamente viveis, o critrio de desempate

ser o econmico. A avaliao econmica deve considerar:

custo de equipamento (incluindo amortizao e manuteno) e material permanente: este custo fixo e ser rateado entre o numero n de peas a produzir. Ex.: um modelo

metlico pode no ser vivel para um lote de 1.000 peas, mas certamente o ser

para a produo de 10.000 unidades.

custo de produo: custos dos insumos (areia, metal, etc.), incluindo mo de obra, taxas de administrao e lucro (over-head).

Cada processo apresenta um custo unitrio que varia (inversamente) com o n-

mero de peas a produzir segundo uma dada equao. Assim podemos calcular a partir

de quantas peas o processo A se torna mais vivel economicamente que o processo B.

O grfico da Figura III.9 exemplifica como varia o custo para a produo de um determi-

nado fundido, fabricado por diversos processos, na hiptese de todos serem tecnica-

mente viveis. importante que, nessa avaliao, sejam comparados processos que re-

sultem em peas com acabamento e tolerncia dimensional da mesma ordem de gran-

deza, ou que se inclua no custo unitrio de produo os custos de usinagem, que claro,

sero maiores para o processo que confira pea pior acabamento.

No se pode esquecer que a competio, na ampla maioria dos casos, se d no

s entre os processos de fundio, mas entre esses e os demais processos de fabricao

- como conformao mecnica, metalurgia do p ou usinagem. Assim o processo es-

colhido ser aquele que produza a pea (ou lote) dentro das especificaes e com o m-

nimo custo. Exceo regra do preo mnimo pode ocorrer no caso de produo de pe-

as para a indstria aeronutica/areoespacial quando o fator segurana supera o aspecto

custo.


46

Figura III.9 - Preo Unitrio Versus Nmero de Peas para Diversos Processos Fonte: Foundry Technology


47

IV - TCNICAS DE FUSO

IV.1 - FORNOS

"Os fornos de induo aparecem com grande des taque

quando o assunto fuso de meta is com a l ta qua l idade"

Podemos classificar os fornos empregados para a fuso de metais e suas ligas em

funo do tipo de aquecimento empregado. Assim teremos:

fornos eltricos: a arco (direto e indireto), de induo (a canal e a cadinho) e de resistncia eltrica.

fornos a combustvel: carvo/coque; leo combustvel; G.L.P.; gs natural, entre outros.

Estes fornos podem ser do tipo cuba (alto forno; cubil), reverberao ou rotativo;

de cadinho (cadinho com aquecimento externo ao mesmo).

A Figura IV.1 - feita com dados sobre a performance do setor de fundio em 1980

mostra como os diversos fornos participavam da produo dos metais h quase duas

dcadas. Embora no se tenha pesquisa mais atualizada em termos da repartio dos

diversos fornos pelos setores de metal, sabe-se que houve uma ampliao do uso do

forno de induo - principalmente na rea de ferrosos - que vem gradativamente substi-

tuindo os fornos a arco e o cubil.

A anlise dos resultados da ltima pesquisa da ABIFA sobre o parque de fundies

(1997) mostra que cerca da metade das empresas utilizam mais de um forno de fuso.

Dentre as que operam com um nico tipo de forno, o forno eltrico de induo est

presente em praticamente metade das instalaes, sem considerar que a participao


48

desse equipamento nas fundies que operam com mais de um forno tambm bastante

significativa.

Figura IV.1 - Participao dos Diversos Tipos de Fornos na Produo de Metais Fonte: Fundio e sua Performance

A seguir so fornecidos alguns detalhes sobre os fornos mais utilizados em fundi-

es brasileiras:

IV.1.1 - FORNO A ARCO


49

O forno a arco indireto - o arco formado entre os eletrodos e o calor irradiado

para a carga - um forno pouco utilizado, principalmente devido ao elevado custo dos

eletrodos. J o forno a arco direto tem sua maior aplicao em aciarias para fabricao de

grandes quantidades de ao a partir de sucata (pelo processo cido ou bsico) e em

fundies de grande porte.

IV.1.2 - FORNO DE INDUO A CANAL

Tambm chamado de forno de induo com ncleo magntico, este forno possui

um ncleo de ao magntico - do tipo usado em transformadores - no qual enrolada

uma bobina, normalmente tubo de cobre refrigerado gua. A aplicao de uma

diferena de potencial entre as extremidades da bobina gera uma corrente alternada

(primria) que induz um campo eletromagntico alternado no canal preenchido pelo metal.

Assim a potncia gerada no secundrio depende da corrente que circula, da resistividade

eltrica e da permeabilidade magntica do metal. A geometria do forno leva formao

de um canal, como esquematizado na Figura IV.2.

Figura IV.2 - Corte de um Forno de Induo com Ncleo

Fonte: Foundry Engineering Estes fornos trabalham em freqncia da rede (50/60 Hz) e o canal deve conter

metal lquido para facilitar a fuso e evitar entupimento do mesmo. Isto vai exigir a exis-

tncia de um forno de partida e reduzir a flexibilidade, limitando alteraes constantes na


50

composio qumica. Assim considera-se que o forno a canal vivel para grandes car-

gas (maiores que 10 ton.), trabalhando continuamente (min de 16h/dia). Tambm pode

ser utilizado em operao duplex com outro forno (por exemplo, o cubil). Um exemplo

deste forno em funcionamento o forno para manuteno de zinco na linha de zincagem

da CSN. Em 1983 haviam cerca de 200 equipamentos deste tipo instalados no Brasil,

sendo que cerca de 60% operando como forno de espera (holding), para manuteno de

temperatura e pequenos acertos de composio.

IV.1.3 - FORNO DE INDUO A CADINHO

Tambm chamado de forno de induo sem ncleo. Como o nome diz, possui a

geometria de um cadinho e ausncia de ncleo magntico, quando o prprio metal que se

deseja fundir funciona como secundrio. Trabalha a diferentes freqncias e est es-

quematizado na Figura IV.3.

Figura IV.3 - Forno de Induo a Cadinho

Fonte: Ibidem

A corrente induzida no bloco metlico flui mais na periferia deste, apresentando

um decaimento exponencial medida que penetra no metal, como esquematizado na

Figura IV. 4.


51

Figura IV.4 - Decaimento da Corrente Induzida

Define-se ento espessura de penetrao (EP) como a distncia para a qual a cor-

rente vale Io / e, ou seja, quando I = 0,368 Io , onde Io a corrente inicial. Isto significa

que considera-se - para fins prticos - que no haja corrente circulando a distncias

maiores que EP. A EP depende da freqncia da corrente, da resistividade e da

permeabilidade do metal de acordo com a equao:

EP = 1/2 . [ (/.f) ] (IV.1)

onde , e f so, respectivamente, resistividade eltrica, permeabilidade magn-tica e freqncia da corrente.

Assim, metais com maior resistividade eltrica possuem maior EP, ou seja, so

mais fceis de fundir e medida que a freqncia da corrente aumenta, diminui a EP,

com a potncia se concentrando mais na periferia da carga.

Para maximizar os rendimentos eltrico e trmico, o bloco metlico - com dimetro

d e altura h - deve atender s seguintes relaes:

d 8 . EP (IV.2) h = 1 a 1,5 d (IV.3)


52

Dessa forma, pode-se determinar a capacidade do forno em funo da freqncia,

para cada tipo de metal. A capacidade do forno varia inversamente com a freqncia

como mostram os dados da Tabela IV.1, para ao.

TABELA IV.1 - CAPACIDADE DO FORNO EM FUNO DE SUA FREQNCIA

f Hz) 50 150 1000 4000 10.000 EP (cm) 10 5.8 2.3 1.1 0.7 capacidade (kg) 3700 700 40 5 1.4

Fonte: Fundio - ABM

Na prtica trabalha-se com carga varivel - em termos de tipo e quantidade - e os

fornos apresentam tambm freqncia varivel, dentro de uma dada faixa; assim que

parmetros afetam a escolha do tipo de forno que ser comprado?

De uma forma geral o preo do forno aumenta com o aumento da freqncia. No

entanto um fator importante a se considerar potncia mxima possvel de ser aplicada,

valor esse que limitado pela agitao que provoca no banho. As correntes induzidas

geram um movimento do banho - esquematizado na Figura IV.5 - que positivo no

sentido de garantir uma homogeneizao da massa lquida, mas que, se excessivo leva a

um desgaste acentuado do refratrio.

Figura IV.5 - Correntes Indutivas e Agitao do Banho



53

Para uma dada freqncia e capacidade do forno existe uma faixa de potncia

aplicada que corresponder a uma agitao ideal, como mostrado na Figura IV.6

construda para uma freqncia de 250 Hz. A utilizao de uma freqncia mais elevada

significa poder aumentar a potncia aplicada carga, mantendo a agitao dentro dos

nveis recomendados. Em outras palavras, isto significa diminuir o tempo de fuso,

aumentando a produtividade. Por exemplo para uma carga de 5 ton. se o forno operar a

60Hz a potncia no dever ultrapassar cerca de 1500 KW, enquanto que se a freqncia

for 500 Hz poder-se- aplicar at 3000 KW de potncia sem que ocorra agitao

excessiva. Isto significa praticamente duplicar a produtividade em kg/h, o que pode,

mdio prazo, compensar o investimento num equipamento mais caro.

Desta forma cabe ao fundidor pesar todos estes aspetos na hora da compra do

equipamento, no se esquecendo de incluir as despesas de instalao - obras civis,

reforos em redes eltricas, etc. - no custo total. O consumo tpico para fuso de ferro

da ordem de 550 kWh/ton.

Figura III.6 - Variao da Potncia Aplicada com a Capacidade do Forno Fonte: Mquinas e Metais

A Figura IV.7 mostra um esquema de uma instalao industrial constando de sis-

tema de pesagem e preparao da carga (A); carregador vibratrio (B); dois fornos de

fuso (C); panela de vazamento (D); painel de comando (E); transformadores (F) e esco-

rificador (G).


54

Quando comparado ao forno a canal, o forno a cadinho ganha em versatilidade

pela possibilidade de trabalho com carga totalmente fria e alterao da composio da

carga, embora - para melhorar seu rendimento - rotineiramente no se esvazie o forno

totalmente. Estes fatores explicam o amplo predomnio do forno de cadinho em fundies

que operam com fornos eltricos. Grandes equipamentos com 10.000 KW de potncia e

produzindo at 20 ton./h de ao j esto operando em outros pases, substituindo fornos a

arco e fornos cubil.

Figura III.7 - Instalao Industrial com Dois Fornos a Cadinho

Fonte: Catlogo Inductotherm Ind. e Com. Ltda.


55

IV.1.4 - FORNO RESISTNCIA ELTRICA

Tem sua utilizao restrita a ligas de alumnio ou outras no-ferrosas, de baixo

ponto de fuso. Pode funcionar bem como forno de espera - manuteno de temperatura

e pequenos acertos - para essas mesmas ligas.

IV.1.5 - FORNO CUBIL

Embora seja considerado um forno em extino ainda responde por cerca de 2%

de todo o metal produzido - o que equivale dizer algo como 30.000 ton./ano. Esse per-

centual engloba somente a produo das fundies que utilizam um nico equipamento

de fuso e que correspondem - como visto anteriormente - , aproximadamente, metade

das empresas cadastradas.

O cubil pode ser descrito como um forno de cuba, funcionando em contracorrente,

onde o carvo/coque tm a funo de ser o elemento combustvel e o sustentculo da

carga metlica . A Figura IV.8 mostra o esquema construtivo e de funcionamento do forno.

O consumo tpico de coque da ordem de 150 kg/ton. Com isso, o ferro produzido no

cubil pode custar at a metade do obtido em forno eltrico, o que explica a sua no-de-

sativao. Ainda apresenta como vantagem o baixssimo investimento inicial requerido

para sua construo, pois praticamente um forno artesanal.

Em contrapartida, um forno altamente poluente, de difcil controle, principalmente

quando se deseja produzir ferro com baixo carbono equivalente e baixo enxofre. Assim,

esse equipamento opera bem para produo de ferros de baixa resistncia ou em


56

operao duplex com o induo. Um forno com 0,5 m de dimetro interno e cuba de 3,5 m

pode produzir 1,5 ton./h com cargas alternadas de 180 kg de metal, 20 kg de coque e 6,5 Kg de calcrio. J um forno com 1,5 m de dimetro pode produzir at 13 ton./h.

Figura IV.8 - Esquema Construtivo do Forno Cubil



57

O mecanismo de fuso do cubil se baseia na combusto do coque a partir do ar

soprado nas ventaneiras e define no forno trs regies:

zona de combusto (queima do coque) ou de oxidao de elementos como silcio e mangans que provocam o superaquecimento do banho.

zona de reduo do coque ou de fuso do metal. zona de pr-aquecimento da carga metlica.

A posio relativa destas zonas depende de trs variveis de operao que so

interligadas: p - ou leito - de coque, coque entre cargas e vazo de ar. Alterando-se uma

ou mais delas a resposta s se far sentir a mdio prazo, medida que a carga for des-

cendo. Da advm a dificuldade de controle do produto no cubil, que feito de forma in-

direta: pela cor do metal que goteja (mais claro que o coque); pela cor da escria ( me-

dida que se torna mais escura indica a presena de xidos metlicos), etc. Nas reas ur-

banas este tipo de equipamento j foi praticamente desativado, principalmente, devido

presso exercida pelos rgos de controle ambiental. Tambm a expanso da demanda

do mercado por ferro nodular no lugar do ferro cinzento tem levado a substituio do cu-

bil pelo forno de induo a cadinho.

IV.1.6 - OUTROS FORNOS

Os fornos a cadinho com aquecimento a leo diesel, gs liqefeito de petrleo -

GLP - ou gs natural ainda encontram espao junto a pequenas e mdias fundies -

principalmente na rea de no-ferrosos. H um incentivo governamental na opo pelo

gs natural, menos poluente, porm isto demanda, muitas vezes, a realocao fsica da

fundio para a proximidade de um gaseoduto.


58

Fornos rotativos e reverberatrios, normalmente de grande porte, so utilizados por

algumas fundies que trabalham com grandes volumes de metais, como por exemplo, a

Valesul para a produo de lingotes de ligas de alumnio.

IV.1.7 - CLCULO DE CARGA

Para se determinar um carregamento adequado produo de uma dada

eespecificao preciso se conhecer:

a faixa de teores admissveis para o metal em questo. as matrias primas: sua disponibilidade; o custo e a anlise qumica - por amostragem

- de cada matria prima.

o equipamento de fuso: rendimento de cada elemento introduzido decorrente do pro-cesso de fuso, rendimento esse que depende do equipamento e de particularidades

de operao do mesmo.

Assim, temos a seguinte frmula:

%E = [ (%E (Ci) / 100) . (%Ci) . E (Ci) ], (IV.4)

onde:

%E = % do elemento E introduzido

%E (Ci) = % do elemento E no componente de carga adicionado Ci

% Ci = % do componente adicionado

E (Ci) = rendimento da incorporao do elemento qumico E presente no componente Ci no banho metlico.


59

O rendimento de incorporao pode variar em funo do tipo de carga Ci que est

sendo adicionada e da forma de adio. Por exemplo o rendimento de incorporao do

elemento silcio atravs da adio de Fe-45%Si menor do que no caso da adio de

uma liga Fe-75%Si e - para uma mesma liga - pode variar pelo fato da adio ser feita no

molde ou na panela.

Tambm importante considerar todas as adies e os tratamentos feitos em

panela - ou diretamente no molde - pois afetaro a composio qumica final, se no

forem levadas em conta por ocasio do clculo de carga.

Cada fundio utiliza os valores de rendimento tirados da sua prtica de fuso.

Quando so necessrias adies para correo dos teores de um dado elemento, estas

adies so subdivididas em duas ou trs parcelas, de forma a se evitar a ultrapassagem

dos valores mximos permitidos para cada elemento. Assim, o monitoramento da compo-

sio qumica durante o processo de fuso de fundamental importncia para garantir a

especificao requerida.

Atualmente diversas fundies j dispem de programas para clculo de carga

que considerem a minimizao dos custos e/ou a melhor utilizao dos estoques. Como

o preo dessas matrias primas - principalmente da sucata - oscila bastante, a utilizao

desses softwares pode permitir uma economia significativa.


60

IV.2 - ROTINAS DE FUSO

"A par t i r dos conce i tos de perdas de fuso, fund ib i l idade e gases nos meta is e do

conhec imento das propr iedades f s icas dos e lementos pode se es tabe lecer uma ro t ina de fuso para cada meta l ou l iga"

Muitos manuais de fundio discorrem sobre essas rotinas que podem parecer

aos leigos perfeitas "receitas de bolo". Entretanto, com o conhecimento dos fenmenos

que ocorrem quando da fuso, da manuteno do metal lquido e do comportamento do

mesmo durante o vazamento possvel se estabelecer a tcnica de fuso mais adequada

a cada caso. Alguns desses aspectos so abordados a seguir:

IV.2.1 - PERDAS DE FUSO

So as perdas de metal contabilizadas durante a fuso, incluindo a as perdas du-

rante a transferncia, o tratamento em panela (inoculao e nodulizao, por exemplo) e

o vazamento. claro que estas perdas vo afetar o rendimento metlico global - definido

como peso da pea usinada dividido pelo peso de metal carregado no forno - e a anlise

qumica final, uma vez que as perdas durante a fuso propriamente dita se concentram

em cima de determinados elementos. As perdas durante a fuso podem ser subdivididas

em:

perdas por oxidao: so to maiores quanto mais oxidvel for o elemento em ques-to: assim num bronze silcio, o elemento que ter diminuda sua concentrao no ba-

nho ser o silcio. Estas perdas so tambm afetadas pelo tipo de forno e de atmos-

fera empregada e pela forma com que a carga metlica se apresenta, se em sucata ou

em lingotes. Por exemplo, para ligas base de alumnio estas perdas so maximi-


61

zadas para a fuso, de sucata de retalhos de chapas, em forno de reverberao ou ro-

tativo com atmosfera oxidante.

perdas por volatilizao: so restritas aos elementos zinco, cdmio e magnsio, que devem ser adicionados por ltimo. Todo cuidado em se evitar superaquecimentos

desnecessrios positivo no sentido de minimizar as perdas por volatilizao.

IV.2.2 - FUNDIBILIDADE

um dado importante a se considerar por ocasio do projeto de uma pea fundida.

O conceito de fundibilidade engloba fluidez e tenso superficial, uma vez que o metal

lquido ter que escoar dentro dos canais at chegar cavidade do molde. De uma forma

geral quanto maior a fluidez da liga maior ser a tendncia a que ela apresente boa

fundibilidade. Tambm o intervalo de solidificao e a % de contrao da liga afetam a

sua fundibilidade que pode ser definida como capacidade de um metal preencher sees

finas e reproduzir detalhes do molde.

A alterao da composio de uma dada liga pode afetar a fundibilidade, sendo

que essa propriedade pode ser medida - de forma comparativa - atravs do vazamento

de corpos-de-prova padres. O ensaio consiste em se vazar o metal num molde

padronizado - o mais utilizado possui a forma de uma espiral, Figura IV.9 - e em

condies equivalentes de vazamento. Aps a solidificao se mede o comprimento de

espiral preenchido, sendo que quanto maior o comprimento maior ser a capacidade do

metal de preencher sees finas do molde.


62

Figura IV.9 - Espiral de fluidez

Fonte: Fundamentals of Metal Casting

IV.2.3 - GASES NOS METAIS

Do ponto de vista do fundidor muito importante conhecer quais so os gases

solveis no banho e em que quantidade e de que forma eles so incorporados, uma vez

que gases so uma causa importante de defeitos das peas fundidas. Isto por que a

solubilidade dos gases tende a diminuir com a queda de temperatura, obrigando o gs a

se recombinar durante o resfriamento, gerando bolhas e porosidades na pea fundida. Se

as medidas tomadas visando a minimizao da absoro de gases no forem suficientes

para eliminar os defeitos citados, pode ser preciso desgaseificar o metal lquido antes do

vazamento.

Os gases bi-atmicos (H, N) so absorvidos numa quantidade que proporcional

raiz quadrada da presso parcial deste gs na atmosfera segundo a Lei de Sieverts. A

Figura IV.10 mostra a variao da solubilidade do hidrognio - que considerado um dos

mais nocivos - com a temperatura, para vrios metais. Dos metais que aparecem nesta

figura o mais crtico em relao a defeitos ocasionados pelo hidrognio o alumnio, pois

como a solubilidade do hidrognio no alumnio slido praticamente nula o gs tem que

se recombinar gerando microporosidade em toda a pea. J nas ligas ferrosas a

presena do gs CO efetua um arraste do hidrognio dissolvido, atuando como um


63

desgaseificante. As ligas de cobre so mais - ou menos - sensveis ao hidrognio

dependendo de sua composio qumica.

Figura IV.10 - Solubilidade do Hidrognio nos Metais Versus Temperatura

Fonte: Fundio - ABM

A presena de nitrognio dissolvido no banho no se constitui numa fonte de de-

feitos de fundio. Nos aos, esse elemento normalmente se combina na forma de

nitretos ou carbonitretos que atuam como endurecedores da matriz. Nas ligas no-

ferrosas a solubilidade do nitrognio praticamente nula; da ele ser usado -

principalmente em ligas de cobre e de alumnio - como desgaseificante, quando promove

o arraste do hidrognio dissolvido.

Gases complexos como CO (em aos) e H2O e SO2 (em ligas de cobre) tambm

podem estar presentes nestes materiais. No caso de aos a presena de oxignio (na

forma de FeO) em contacto com o carbono dissolvido no banho leva formao de CO

que responsvel pelo aspecto caracterstico das bolhas dos aos efervescentes. Por

causa disso na produo de peas fundidas se utiliza sempre ao acalmado. A Figura

IV.11 apresenta, de forma esquemtica, lingote efervescente (a), semi-acalmado (b) e

acalmado (c), com reduo gradual da porosidade de a para c. Em ligas base de cobre

a solubilidade simultnea de hidrognio e oxignio costuma dar origem a porosidades,

devendo-se evitar que o hidrognio se dissolva no metal lquido.


64

Figura IV.11 - Lingote: (a) Efervescente; (b) Semi-acalmado e (c) Acalmado


Como o hidrognio e outros gases penetram no banho? A umidade presente no ar,

nos refratrios, na carga metlica ou nas ferramentas se dissocia a altas temperaturas

com conseqente absoro de hidrognio e oxignio pelo banho metlico. Assim

importante pr-aquecer ferramentas e cadinhos, restringir o contato metal - gs atravs de

uma escria ou fluxo protetor (cuidado pois os fluxos so geralmente higroscpicos) e,

mais importante ainda, utilizar a menor temperatura possvel.

Se ainda assim restar uma quantidade de gases dissolvidos que gerem porosidade

ser preciso recorrer aos processos de eliminao desses gases. So eles:

Oxidao - reduo: recomendado para sistemas que apresentem solubilidade si-multnea de hidrognio e oxignio, como por exemplo algumas ligas base de cobre.

A liga fundida sob atmosfera oxidante, para minimizar a absoro de hidrognio, e

desoxidada energicamente instantes antes do vazamento.

Pr-solidificao: utilizado principalmente quando se dispe de muita sucata mida. Ao solidificar, parte do gs forma bolhas e na segunda fuso o teor de gases ser me-

nor (Figura IV.12a)

Borbulhamento de um gs: Inerte (nitrognio, Figura IV.12b) ou ativo (atravs de pastilhas ricas em cloro, Figura IV.12c): abaixa simultaneamente o hidrognio e o oxi-

gnio dissolvidos pela reduo da presso parcial desses gases na mistura. Mais im-


65

portante ainda o efeito de arraste que provoca quando borbulhado no fundo da

panela e as bolhas que sobem vo incorporando os gases dissolvidos. Indicado para

ligas de cobre (com nitrognio) e ligas de alumnio (com nitrognio ou gs cloro).

Refino a vcuo: usado para a produo de aos e ligas especiais, diminui simultane-amente o teor de carbono e de oxignio (Figura IV.12d). A diminuio de presso na

cmara desloca as reaes no sentido de formao dos gases que so removidos

pelo bombeamento.

Figura IV.12 - Mtodos de Desgaseificao do Banho Metlico Fonte: Ibidem

IV.2.4 - PROPRIEDADES FSICAS

importante se conhecer as propriedades fsicas c

Livro_Fundição

Documents

Transcript of Livro_Fundição