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fundiçao
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Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Departamento de Mecânica e Energia
Faculdade de Tecnologia
Campus Resende
Fernanda Leon Paula Nilo
Felipe José Farias de Oliveira
Igor Fontanezi Maia
Fenômenos decorrentes da solidificação dos metais
Fatores determinantes para a escolha do processo de fundição
Processo de fundição
Fundição por centrifugação
Resende
2015
Fernanda Leon Paula Nilo
Felipe José Farias de Oliveira
Igor Fontanezi Maia
Fenômenos decorrentes da solidificação dos metais
Fatores determinantes para a escolha do processo de fundição
Processo de fundição
Fundição por centrifugação
O presente trabalho tem como objetivo fazer uma revisão bibliográfica sobre temas como: os fenômenos que ocorrem durante a solidificação dos metais, fatores determinantes na escolha do processo de fundição e fundição por centrifugação. Temas estes que sãoreferentesà disciplina de Processos de Fabricação III, da Faculdade de Tecnologia, campus de Resende, curso de Engenharia de Produção com ênfase em mecânica.
Orientador: Professor Dr. Alexandre Alvarenga Palmeira
Resende
2015
RESUMO
NILO, Fernanda Leon Paulo; OLIVEIRA, Felipe José Farias de; MAIA, Igor Fontanezi. Fenômenos decorrentes da solidificação dos metais,Fatores determinantes para a escolha do processo de fundição, Processo de fundição e Fundição por centrifugação, 2015,84f.Trabalho de Processos de Fabricação III – Faculdade de Tecnologia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Resende, 2015.
A presente obra tem por objetivo fazer uma revisão bibliográfica de temas relacionados com a disciplina de Processo de Fabricação III, ministrados na Faculdade de Tecnologia (FAT). Os temas que serão discutidos neste trabalho são: os processos decorrentes da solidificação dos metais, fatores determinantes na escolha do processo de fundição, processos de fundição e mais especificamente o processo de fundição por centrifugação.
Palavras-chave: fundição; fundição por centrifugação; processos de fabricação.
ABSTRACT
NILO, Fernanda Leon Paulo; OLIVEIRA, Felipe José Farias de; MAIA, Igor Fontanezi. Phenomena resulting from the solidification of metals, decisive factors for the choice of casting process, casting process and casting by centrifugation, 2015,84f. Manufacturing Processes Work III – Faculty of Technology, State University of Rio de Janeiro, Resende, 2015.
This work aims to make a literature review of issues related to the discipline of Manufacturing Process III, taught at the Faculty of Technology (FAT). The issues to be discussed in this paper are: the processes resulting from the solidification of metals, determining factors in choosing the casting process, casting process and more specifically by spin casting process.
Keywords: foundry; casting by centrifugation; manufacturing processes.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Dendrita originada na solidificação 13
Figura 2- Lingote – solidificação no interior de uma lingoteira 14
Figura 3- Efeito dos cantos na cristalização 14
Figura 4- Fenômeno de contração, com o vazio ou “chupagem” resultante 16
Figura 5- Defeitos de contração em volantes fundidos e modo de corrigi-los 16
Figura 6- Dispositivos utilizados para controle de vazios em lingotes e peças fundidas 17
Figura 7- Variação volumétrica do aço ao se resfriar a partir da faze líquida 18
Figura 8- Segregação em peças laminadas e forjadas 20
Figura 9- Solubilidade do hidrogênio nos metais versus temperatura 21
Figura 10- Lingote: (a) lingote efervescente, (b) semi-acalmado e (c) acalmado 22
Figura 11- Métodos de desgaseificação do banho metálico 23
Figura 12- Gráfico comparativo de temperatura 25
Figura 13- Velocidades de nucleação e crescimento dos cristais 27
Figura 14- Crescimento com gradiente positivo 28
Figura 15- Crescimento com gradiente negativo 29
Figura 16- Sistema isomorfo A-B em condições de equilíbrio 30
Figura 17- Microestrutura pós-solidificação 31
Figura 18- Solidificação de uma liga Co de um sistema A-B 33
Figura 19-Região super-resfriada no líquido 34
Figura 20- Comparação entre temperatura no líquido e na solidificação 34
Figura 21- Solidificação de uma liga Co para Ko>1 35
Figura 22- Concentração de Co/Ko e temperatura na interface líquido/sólido 35
Figura 23- Temperatura do líquido em três casos diferentes 36
Figura 24- Fases de uma liga eutética A-B 37
Figura 25- Composição de uma liga eutética A-B 38
Figura 26- Zonas macroestruturais 39
Figura 27- Preço unitário versus número de peças para diversos processos 45
Figura 28- Concordância de seções em peças fundidas 53
Figura 29- Conicidade recomendada no projeto do modelo e confecção do molde 55
Figura 30- Exemplo de modelos para fundição 57
Figura 31- Exemplo de modelos para fundição 58
Figura 32- Exemplo de modelos para fundição 59
Figura 33- Exemplo de modelos para fundição 60
Figura 34- Exemplo de modelos para fundição 61
Figura 35- Exemplo de modelos para fundição 62
Figura 36- Canal de alimentação 63
Figura 37- Canal de descida e distribuição 64
Figura 38- Dimensionamento de canais 65
Figura 39- Canais alimentadores 66
Figura 40- Canais massalotes 67
Figura 41- Pressão desenvolvida pela força centrifuga 69
Figura 42- Produtos originados da fundição por centrifugação 71
Figura 43- Sistema de fundição por centrifugação horizontal 74
Figura 44- Sistema vertical de centrifugar 75
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Raios atômicos e estruturas cristalinas 12
Tabela 2- Contração no estado líquido 19
Tabela 3- Contração no estado sólido 19
Tabela 4- Comparação dos diversos processos de moldagem 47
Tabela 5- Condutividade térmica de materiais de moldes 49
Tabela 6- Secções mínimas recomendadas em peças fundidas 54
Tabela 7- Seções mínimas de orifícios em peças fundidas 55
SUMÁRIO
1- Introdução 10
2- Fenômenos decorrentes da solidificação dos metais 11
2.1- Cristalização 11
2.2- Contração de volume 15
2.3- Concentração de impurezas 20
2.4- Desprendimento de gases 21
2.5- Solidificação de metais puros 24
2.5.1- Nucleação 24
2.5.2- Crescimento 27
2.6- Solidificação de ligas metálicas 30
2.6.1- Solidificação de soluções sólidas em condições de não-equilíbrio 30
2.6.2- Super-resfriamento constitucional 32
2.6.3- Crescimento durante a solidificação de ligas 36
2.6.4- Solidificação de sistemas eutéticos em condições de não-equilíbrio 37
2.7- Macroestrutura bruta de solidificação 39
2.8- Segregação 40
2.8.1- Segregação dendritica (zonamento) 40
2.8.2- Segregação normal 40
2.8.3- Segregação inversa 41
2.8.4- Segregação gravimétrica 41
2.9- Variações de volume durante a solidificação 42
2.9.1- Contração de solidificação 42
3- Fatores determinantes para a escolha do processo de fundição 43
4- Processos de fundição 51
4.1– Desenhos da peça 52
4.2–Projeto do modelo e confecção do modelo e molde 55
4.2.1-Considerações sobre o projeto do modelo 56
4.3- Alimentação da peça 63
5- Fundição por centrifugação 68
5.1- Tipos de fundição por Centrifugação 71
5.1.1– Fundição por centrifugação horizontal 72
5.1.1.1–Equipamentos de centrifugação horizontal 73
5.1.2– Fundição por centrifugação vertical 74
5.2– Moldações utilizadas em fundição por centrifugação 76
5.3– Parâmetros de fundição por centrifugação 77
5.3.1– Temperatura de processo 77
5.3.2– Vazamento do metal 78
5.3.3– Velocidade de rotação 78
5.3.4– Solidificação 79
5.3.5– Materiais utilizados 79
5.4 – Vantagens e desvantagens da Centrifugação 80
6- Conclusão 82
7- Referências bibliográficas 83
10
1- INTRODUÇÃO
O presente trabalho tem como objetivo apresentar uma revisão bibliográfica sobre
temas relacionados com a matéria ministrada no curso de Processos de Fabricação III. Os
temas são fenômenos decorrentes da solidificação dos metais, fatores determinantes para a
escolha do processo de fundição, processo de fundição e fundição por centrifugação.
A metodologia adotada para apresentar os fenômenos decorrentes da solidificação dos
metais foi apresentar dois autores, Chiaverini e Siegel, para abordar o conteúdo. O primeiro
autor, Chiaverini, define que a solidificação dos metais define-se em quatros pontos
principais, a cristalização, contração de volume, concentração de impurezas e desprendimento
de gases. Já Siegel, possui uma abordagem diferente mostrando que esses fenômenos
apresentam classificações tais como a nucleação, segregação, crescimento e contração de
volume, basicamente é isto que apresenta este autor.
O próximo passo deste trabalho é relatar os fatores que determinam a escolha do
processo de fundição. Neste ponto também se apresenta dois autores Soares e Siegel. Soares
mostra que para a escolha do processo devem-se levar em consideração os seguintes aspectos:
tamanho e geometria da peça, tipo de liga a ser fundida, acabamento e tolerância dimensional
exigida e número de peças encomendadas. Siegel mostra um ponto de vista diferente expondo
que os fatores para a escolha do processo são: tipo do metal, tamanho da peça, volume de
produção, tolerâncias dimensionais, acabamento das peças, propriedades mecânicas e físicas
das peças, custo inicial dos equipamentos, custo dos materiais de moldagem, custo de preparo
do molde, método de limpeza da peça, usinagem da peça e tratamento superficial.
O próximo tema a ser abordado no trabalho é os processos de fundição. Para isto
recorre-se também a dois autores, Chiaverini e Siegel. Neste ponto o trabalho apresentará
somente alguns pontos principais relacionados aos processos de fundição, pois independente
da escolha do processo pontos como o desenho da peça, projeto do molde, confecção do
molde, alimentação das peças, eliminação das rebarbas e controle de qualidade, devem ser
levadas em consideração. O presente trabalho mostrará somente o desenho das peças,
alimentação das peças e projeto e confecção dos moldes.O último tópico apresentado no
trabalho e o objetivo principal é a fundição por centrifugação. O principal autor apresentado
neste tópico é Bradaschia, que apresenta os seguintes tópicos relacionados com a fundição por
centrifugação: fundição vertical e horizontal, equipamentos de fundição por centrifugação,
parâmetros de fundição e vantagens e desvantagens do processo.
11
2- FENÔMENOS DECORRENTES DA SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
O estudo sobre os fenômenos que ocorrem durante a solidificação dos metais é de
grande importância, pois quando ocorre à solidificação do metal líquido no interior dos
moldes, pode ocasionar o surgimento de heterogeneidades. Estas não sendo tratadas
corretamente podem prejudicar no desempenho das peças fundidas e ocasionar a sua rejeição.
[1]
Os fenômenos decorrentes da solidificação são: cristalização, contração de volume,
concentração de impurezas e desprendimento de gases. Tais fenômenos serão abordados
detalhadamente o máximo possível, buscando definições e características sobre esses
fenômenos em diferentes autores. Esta abordagem será tratada com base no autor Chiaverini,
posteriormente, será abordado o mesmo tema, porém, com enfoque em outro autor,
Bradaschia, que expõe em seu livro os seguintes pontos: a solidificação dos metais puros,
solidificação de ligas metálicas, microestrutura bruta da solidificação, segregação, variações
de volume durante a solidificação.
2.1- Cristalização
A cristalização ocorre quando um metal se solidifica. O processo de cristalização será
abordado com maior profundidade devido a ter uma grande influência na fundição de peças
metálicas.
Os materiais sólidos podem ser classificados de acordo com uma regularidade segundo
o qual os átomos ou íons estão arranjados uns em relação aos outros. Um material é dito
cristalino quando se tem um arranjo repetitivo ao longo de enormes distâncias atômicas,
caracterizando-se por ter uma ordem de longo alcance. [2]
A forma como os átomos se ordenam nos sólidos cristalinos mostra que pequenos
grupos de átomos montam um padrão repetitivo, com isto fica conveniente subdividir a
estrutura em entidades denominadas células unitárias. Uma célula unitária é escolhida para
representar a simetria de uma estrutura cristalina. Assim uma célula unitária acaba por definir
a estrutura cristalina de acordo com a geometria e a posição dos átomos no seu interior. [2]
Várias das propriedades dos sólidos cristalinos dependem da estrutura cristalina do
material, ou seja, da forma como os átomos, íons ou moléculas estão organizados no
12
espaço.As estruturas cristalinas dos metais podem ser divididas em três categorias, a cúbica de
face centrada (CFC), cúbica de corpo centrado (CCC) e hexagonal centrada (HC). [2]
A tabela 1 traz alguns materiais metálicos e seus tipos de estrutura cristalina, e ainda o
raio atômico desses materiais. O tipo de ligação atômica desses materiais são metálicas, e de
natureza não-direcional.[2]
Tabela 1- Raios atômicos e estruturas cristalinas.
MetalEstrutura
Cristalina
Raio
Atômico
(nm)
MetalEstrutura
Cristalina
Raio
Atômico
(nm)
Alumínio CFC 0,1431 Molibdênio CCC 0,1363
Cádmio HC 0,1490 Níquel CFC 0,1246
Cromo CCC 0,1249 Platina CFC 0,1387
Cobalto HC 0,1253 Prata CFC 0,1445
Cobre CFC 0,1278 Tântalo CCC 0,1430
Ouro CFC 0,1442 Titânio (α) HC 0,1445
Ferro (α) CCC 0,1241 Tungstênio CCC 0,1371
Chumbo CFC 0,1750 Zinco HC 0,1332
Fonte: Callister, 2008.
Revisado alguns conceitos sobre a cristalização dos metais, parte-se agora para a sua
influência nos metais quando solidificados.
A cristalização consiste no surgimento das primeiras células cristalinas, que servem
como núcleos para depois para o crescimento dos cristais, originando posteriormente os grãos
definitivos e à estrutura granular típica dos metais. [1]
Quando ocorre o crescimento dos cristais, estes por sua vez, não crescem
uniformemente, isto é a velocidade do crescimento não é a mesma em todas as direções, há
uma variação com os diferentes eixos cristalográficos, e também dentro dos moldes onde o
material é escoado para adquirir a forma da peça, o crescimento e limitado pelas paredes dos
próprios moldes. [1]
13
A figura 1 mostra o desenvolvimento e a expansão de cada núcleo de cristalização,
originando um tipo de cristal que poderia ser assimilado a uma árvore com seus ramos, a esse
tipo de cristal dá-se o nome de dendrita.[1]
Figura 1- Dendrita originada na solidificação.
Fonte: Chiaverini, 1986.
As dendritas formam-se em quantidades cada vez maiores até se encontrarem, o seu
crescimento é, então, impedimento pelo encontro das dendritas vizinhas, originando-se os
grãos e os contornos de grãos, que delimitam cada grão cristalino, formando a massa sólida.
[1]
A figura 2 mostra o caso particular da solidificação de um metal no interior de um
molde metálico, de forma prismática, chamado lingoteira, o qual vai originar uma peça
fundida chamada lingote. Na figura 2 ainda pode-se perceber os aspectos típicos da secção de
um lingote mostrando algumas formas que os órgãos adquirem durante a solidificação no
interior de uma lingoteira. [1]
14
Figura 2- Lingote – solidificação no interior de uma lingoteira.
Fonte: Chiaverini, 1986.
A solidificação do lingote inicia-se nas paredes onde o metal líquido entra em contato,
os cristais formados e em crescimento acabam sofrendo a influência das paredes do molde e
dos cristais vizinhos, de forma que estes tendem a crescer mais rapidamente na direção
perpendicular às paredes do molde. Desta forma pode-se originar, conforme são mostrados na
figura 2, nos cantos do lingote, efeitos indesejáveis. [1]
A figura 3 mostra os efeitos dos cantos na cristalização do metal, devido a grupos
colunares de cristais, crescendo de paredes contíguas, se encontrarem segundo planos
diagonais. [1]
15
Figura 3- Efeito dos cantos na cristalização.
Fonte: Chiaverini, 1986.
Estes efeitos indesejáveis vêm do fato de essas diagonais formarem planos mais
frágeis, no decorrer da conformação mecânicas a que essas peças são submetidas,
posteriormente, exemplo a laminação, podem ocorrer fissuras que acabam inutilizando o
material. [1]
2.2- Contração de volume
De acordo com Chiaverini, os metais quando se solidificam sofrem três tipos de
contração, a líquida, a contração de solidificação e a contração sólida.
Sucintamente Chiaverini define a contração líquida como a queda de temperatura, do
metal líquido, até quando se inicia a solidificação. A contração de solidificação ocorre quando
há uma variação de volume durante a mudança do estado líquido para o sólido. A contração
sólida corresponde à variação de volume que ocorre já no estado sólido, que ocorre quando a
peça já está atingindo a temperatura ambiente. [1]
Segundo Soares, a contração líquida na prática não tem tanta relevância, pois sempre
será fundido material para completar todos os moldes, acrescidos uns dez por cento,
compensando assim as perdas durante a transferência do metal e o vazamento.
[5]
A contração durante a solidificação acaba originando uma heterogeneidade conhecida
por vazios internos ou chupagem, que podem atrapalhar a qualidade da peça fundida. [5]
A figura 4 mostra este processo de chupagem, que se inicia com o metal no estado
líquido (a), passando posteriormente para a solidificação que se inicia nas bordas, onde a
temperatura é mais baixa (b), e assim a solidificação vai encaminhando-se para o centro da
peça fundida (c), para depois ficar no estado conhecido como contração sólida (d). [1]
16
Figura 4- Fenômeno de contração, com o vazio ou “chupagem” resultante.
Fonte: Chiaverini, 1986.
Os vazios citados podem ficam localizados na parte interna das peças, próximos da
superfície, entretanto, invisíveis externamente. O vazio ou chupagem podem ocasionar na
peça alguns defeitos como trincas a quente e tensões residuais, conforme a figura 5 mostra a
heterogeneidade das trincas a quente e a maneira mais correta de corrigi-las.[1]
Figura 5 – Defeitos de contração em volantes fundidos e modo de corrigi-los.
Fonte: Chiaverini, 1986.
17
Agora sobre as tensões residuais, elas podem ser eliminadas por um projeto de peças
adequado e por um tratamento térmico para alivio de tensões. [1]
Os vazios ou chupagens podem ser controlados ou eliminados, utilizando recursos
adequados, seja no caso de lingoteiras, seja no caso de moldes para peças fundidas. No caso
de peças fundidas, utiliza-se um alimentador. Na figura 6 é utilizado um dispositivo para o
controle de vazios em lingotes e peças fundidas. Neste dispositivo o molde foi projetado de
uma forma que a entrada do metal líquido, através de canais, é feita na secção mais grossa que
alimenta as menos espessas, ao mesmo tempo, o alimentador ficará de uma forma que o metal
líquido o suprirá por inteiro, e nele ficará concentrado o vazio. [1]
Figura 6 – Dispositivos utilizados para controle de vazios em lingotes e peças fundidas.
18
Fonte: Chiaverini, 1986.
De acordo com Soares, as variações volumétricas de volume experimentadas pelo
metal desde a temperatura de superaquecimento até a temperatura ambiente são mostradas na
figura 7. [5]
Figura 7- Variação volumétrica do aço ao se resfriar a partir da faze líquida.
Fonte: Soares, 2000.
Mais especificamente sobre a contração de volume, entende-se por este conceito a
diminuição de volume que as peças fundidas sofrem no processo de solidificação. Ao obter-se
o metal fundido no molde, este por sua vez ocupa o volume do modelo que se utiliza para
prepará-lo.O metal quando esfria acaba contraindo o volume final da peça fundida.
[3]
Torre mostra através da tabela 2 a contração que as peças fundidas realizam quando
estão no estado líquido e a tabela 3 quando estão no estado sólido.
19
Tabela 2 – Contração no estado líquido.
Metal Contração
Fundição-gris 4%
Ligas de Alumínio 3,5%
Cobre 3,7%
Aço 7,2%
Latão 6,5%
Bronze 7,4%
Fonte: Torre, 2004.
Tabela 3 – Contração no estado sólido.
Metal Contração
Aços-carbono 2%
Aços-magnésio 2,5 – 2,7%
Ligas de alumínio 1,5%
Bronze 1,6%
Bronze-alumínio 2%
Bronze fosfórico 2%
Zinco 2,5%
Estanho 2,1%
Fundição-gris:
1) Peças leves 1%
2) Peças médias 1%
3) Peças pesadas 0,8 – 0,9%
Fundição maleável branca 1,5 – 2%
Latão – peças finas 1,6%
Latão – peças espessas 1,3%
Magnésio 2%
Níquel 2%
Chumbo 2,6%
20
Fonte: Torre, 2004.
2.3- Concentração de impurezas
Existem algumas ligas metálicas que contêm impurezas normais, que se comportam de
modo diferente, de acordo com o estado físico da liga, ou seja, no estado líquido ou sólido. O
caso mais geral é o das ligas ferrosas, possuindo como impurezas normais os elementos
fósforo, enxofre, manganês, silício e carbono.Quando essas ligas estão no estado líquido, as
impurezas estão totalmente dissolvidas no líquido, formando um todo homogêneo.
[1]
Quando passa para o processo de solidificação, essas impurezas são menos solúveis no
estado sólido, o fósforo e o enxofre é um exemplo. Então na medida em que a liga vai se
solidificando, esses elementos vão acompanhando o metal líquido remanescente, indo
acumular-se, pois, na última parte sólida formada.Nessas regiões, a contração de impurezas
forma o que se chama de segregação. [1]
A figura 8 mostra simbolicamente como a segregação pode se distribuir em peças
laminadas e forjadas. O maior problema da segregação é que o material acaba apresentando
uma composição química não uniforme, e consequentemente propriedades mecânicas
diferentes. [1]
21
Figura 8 – Segregação em peças laminadas e forjadas.
Fonte: Chiaverini, 1986.
2.4- Desprendimento de gases
É muito importante conhecer quais são os gases solúveis no banho e em que
quantidades e o modo como são incorporados, pois, estes gases são de profunda importância
por gerar defeitos nas peças fundidas, defeitos como bolhas e porosidades. [5]
Este tipo de fenômeno ocorre, com mais frequência nas ligas de ferro-carbono. Ocorre
mais nessas ligas, pois, o oxigênio combina-se com o carbono presente nessas ligas, formando
gases como o gás carbônico e o dióxido de carbono que facilmente saem para atmosfera,
enquanto a liga estiver no estado líquido. [1]
À medida que a viscosidade da massa líquida diminui, por causa da queda de
temperatura, fica mais difícil à fuga desses gases, e estes gases acabam ficando retidos nas
proximidades da superfície das peças ou lingotes, na forma de bolhas. [1]
Nos aços de baixo carbono, principalmente na forma de lingotes a serem forjados ou
laminados, as bolhas não são prejudiciais, pois, as temperaturas de conformação mecânica
têm suas paredes soldadas. Em alguns casos essas bolhas são até desejáveis. [1]
A figura 9 traz um gráfico que mostra a variação da solubilidade do hidrogênio, que um
dos gases mais nocivos, com a temperatura para vários metais. [5]
22
Figura 9 – Solubilidade do hidrogênio nos metais versus temperatura.
Fonte: Soares, 2000.
Dentre os metais que aparecem nesta lista o que é mais prejudicado pelo hidrogênio é
o alumínio, pois a solubilidade do hidrogênio é praticamente inexistente o gás tem que se
recombinar o que acaba gerando microporosidades em toda a peça. Já nas ligas ferrosas a
presença de gás carbônico atua como desgaseificante. As ligas de cobre em relação ao
hidrogênio são relativamente mais sensíveis, mas dependendo da composição química. [5]
Sobre o oxigênio, ele reage preferencialmente com os elementos como silício,
manganês, e alumínio formando óxidos sólidos, impedindo, que o oxigênio entre em reação
com o carbono, produzindo assim o gás carbônico e o dióxido de carbono, responsáveis pela
produção de bolhas nas peças fundidas. [1]
Outro gás que pode se libertar na solidificação é o nitrogênio, que quando dissolvido
no banho não produz nenhum defeito na peça fundida. Nos aços, esse elemento combina-se na
forma de nitretos ou carbonitretos, e acabam atuando como endurecedores da matriz. Em ligas
não ferrosas o nitrogênio é praticamente insolúvel, por isso este gás é utilizado como
desgaseificante em ligas como as de cobre e alumínio. [5]
A figura 10 mostra de forma simplificada e esquemática um, lingote efervescente (a)
semi-acalmado (b) e acalmado (c), com uma diminuição gradual de porosidade de a para c.
Em ligas à base de cobrea solubilidade simultânea de hidrogênio e oxigênio costuma dar
origem a porosidades,devendo-se evitar que o hidrogênio se dissolva no metal líquido.
[5]
23
Figura 10 – Lingote: (a) lingote efervescente, (b) semi-acalmado e (c) acalmado.
Fonte: Soares, 2000.
Com a umidade do ar nos refratários, na carga metálica e nas ferramentas se dissociam
com certa facilidade a altas temperaturas, com isso o banho metálico acaba absorvendo o
hidrogênio e o oxigênio. Sendo assim é importante pré-aquecer as ferramentas e o cadinho
antes da sua utilização, restringindo também o contato com o metal. [5]
Tomando os cuidados acima mencionados, e mesmo assim a quantidade de gases
dissolvidos gerarem porosidades, outros processos para a eliminação desses gases devem ser
feitos como:
Oxidação – redução: Onde a liga é fundida sob atmosfera oxidante, tentando assim
minimizar a absorção do hidrogênio, e posteriormente desoxidam rapidamente
instantes antes do vazamento da peça no molde. [5]
Pré-solidificação: é utilizado quando se tem muita sucata miúda. Ao solidificar uma
parte do gás forma bolhas e na segunda fusão o teor de gases será menor, conforme
figura 11 (a). [5]
Borbulhamento de um gás: inerte conforme figura 11 (b) ou ativo, figura 11 (c), este
processo abaixa simultaneamente o hidrogênio e o oxigênio pela redução parcial
desses gases na mistura. [5]
Refino a vácuo: utilizado para a produção de aços e ligas especiais, diminui
simultaneamente o teor de carbono e de oxigênio, figura 11(d). [5]
24
Figura 11 – Métodos de desgaseificação do banho metálico.
Fonte: Soares, 2000.
2.5- Solidificação de metais puros
2.5.1- Nucleação
Os metais sólidos são cristalinos, os átomos arranjam-se ordenadamente no espaço e
oscilam continuamente no espaço e oscilam continuamente em torno de posições médias.
[7]
A estrutura dos líquidos não é muito conhecida bem menos que a dos sólidos, por
exemplo. Conhece-se que no estado líquido os átomos permanecem num movimento
continuo, ou seja, movimentam-se desordenadamente. [7]
Conhece-se muito pouco do processo atômico em que se envolve a respeito da
solidificação. Por esse motivo, nesta abordagem será discutida apenas dos pontos de vista
termodinâmico e cinético, em que se entende a consideração de grande número de átomos
passando do estado líquido para o sólido. [7]
Na enorme quantidade de átomos presente num liquido, por insignificante que seja o
seu volume, em determinado momento, alguns podem, dispor-se de modo ordenado, igual ao
que acontece no sólido correspondente, mesmo em temperaturas superiores ao da fusão. Este
agrupamento atômico denomina-se embriões, dentro do líquido, obtêm-se uma estrutura igual
à do sólido. [7]
Os embriões originam-se e desmancham-se dentro do líquido, estatisticamente, e seu
tempo de vida está unicamente dependente do tamanho e da temperatura. Ou seja, quando a
temperatura do embrião for pequena e o seu tamanho for grande, maior é sua vida.
[7]
Inferior à temperatura de solidificação (que é constante para um metal puro, à pressão
constante), a energia livre de um agregado de átomos com a estrutura do sólido é menor que a
do mesmo agregado com a estrutura do líquido. [7]
Durante o processo de solidificação, liquido e solido são separados por uma interface.
Desta forma, a variação total de energia livre é composta por dois termos. [7]
25
a) Este primeiro termos é composto pela diferença de energia, por unidade de volume,
entre as fases sólida e líquida;
b) A outra parcela é composta pela energia livre da superfície.
Com esses dois termos é feito um balanço de energia, pois os dois têm sinais opostos.
Assumindo que “ΔGv” seja a diferença de energia livre entre sólido e liquido,por unidade de
volume, e “δ” a energia de superfície da interface sólido-líquido, por unidade de área. A
variação total de energia livre durante a formação de um embrião esférico de raio “r” é
mostrado na equação 2.5. [7]
ΔG = ΔGv43
Π r3 + 4 Π r2δ (2.5)
Observando a equação 2.5, percebe-se que o termo “ΔGv” ser negativo não com que o
embrião sólido seja mais estável que o liquido, pois, o termo“4Π r2δ” tem sinal sempre
positivo. A figura 12 traz as curvas correspondentes a cada termo da equação 2.5, com as
respectivas situações que podem ocorrer. [7]
a) Quando a temperatura é maior que a temperatura de solidificação.
b) E quando a uma temperatura menor que a temperatura de solidificação.
26
Figura 12 – Gráfico comparativo de temperatura.
Fonte: Bradaschia, 1971.
Para se formar um embrião a qualquer temperatura T>Ts, em que a temperatura de
solidificação é Ts(figura 12 a) percebe-se que a energia livre sempre aumenta soma raio do
embrião, com isso, o embrião torna-se mais instável e estas temperaturas quanto maior for seu
tamanho. [7]
Quando ocorre a solidificação, a temperatura é menor que Ts(figura 12 b) e “ΔGv” é
sempre terá sinal negativo. Portanto, embora para “0<r<r*”, o crescimento do embrião cause
um elevação de energia livre, para “r>r*”, qualquer elevação no raio do embrião corresponde
a uma queda de energia livre. Chama-se raio crítico ao raio “r*”, um embrião que atinge o
raio crítico é denominado núcleo.O raio crítico pode ser expresso conforme mostrado da
equação 2.6. [7]
r* = 2 δ
−∆ Gv(2.6)
Para toda a abordagem apresentada até o presente momento foi feita admitindo-se:
Embriões e núcleos esféricos. [7]
O embrião sólido está separado do líquido por intermédio de uma superfície em que
a energia é a mesma que de uma superfície entre enormes porções de líquido e de
sólido. [7]
E que a diferença de energia livre de formação entre embrião e líquido é a igual que a
apresentada entre volumes grandes de sólido e líquido. [7]
Segundo Hume, apud. Bradaschia, através da teoria clássica estas limitações são gerais
para qualquer tipo de tratamento de processos de nucleação. Esta teoria, quantitativamente, é
bastante útil como guia de raciocínio. [8]
No conteúdo apresentado não se fez distinção quanto a posição em que se forma os
núcleos, e a composição destes é suposta igual à do líquido. Para estas condições apresentadas
denomina-se que a nucleação é homogênea, ou seja, ocorre ao acaso no seio do líquido e sem
a ajuda de impurezas ou adições.[7]
27
Nas situações de nucleação homogênea o raio crítico cai com o super-resfriamento
crescente porque a variação de energia livre eleva-se em valor absoluto, por outro lado, a
energia de superfície da interface sólido-líquido quase não varia. Portanto, quanto maior for o
super-resfriamento mais facilmente é formar núcleos. E este é o principal motivo para quanto
maior for o super-resfriamento menor é o tamanho do grão, claro mantendo todas as outras
condições constantes. [7]
Em casos práticos ocorre a nucleação heterogênea de um metal, porque inicia-se tanto
sobre as paredes de um molde quanto sobre impurezas insolúveis, que os metais
comercialmente puros podem conter. Em condições como estas muito dificilmente ocorre o
fenômeno de super-resfriamento maiores que 1 a 10°C. A nucleação heterogênea é
largamente utilizada no controle do tamanho de grão para peças fundidas. [7]
2.5.2- Crescimento
Com a diminuição de energia livre, o crescimento dos núcleos sólidos é um processo
espontâneo. As velocidades de nucleação e crescimento dos cristais a partir do líquido variam
em função da temperatura, conforme é mostrado na figura 13. [7]
28
Figura 13 – Velocidades de nucleação e crescimento dos cristais.
Fonte: Bradaschia, 1971.
A velocidade de crescimento dos cristais como a velocidade de nucleação, tem um
limite de velocidade. A máxima velocidade atingida pela nucleação ocorre à temperatura mais
baixa que a máxima de crescimento dos cristais. Isto justifica a observação de que quanto
maior for o super-resfriamento, menor o tamanho de grão, pois, originam-se núcleos que
crescem lentamente. Quando a solidificação dá-se a temperatura próxima da de fusão, a
velocidade de nucleação é pequena e o crescimento é acelerado, criando-se cristais grandes.
[7]
Existem características diferentes no processo de solidificação dos metais puros,
conforme o gradiente de temperatura no líquido seja positivo ou negativo.[7]
Crescimento com gradiente positivo de temperatura no líquido–a figura 14
exemplifica a distribuição de temperatura em um sistema que se solidifica em uma
única direção, com um gradiente de temperatura positivo.
Figura 14 – Crescimento com gradiente positivo.
Fonte: Bradaschia, 1971.
29
A linha “AA” representa a interface sólido líquido, o sólido cresce de maneira que a
interface permanece plana. Qualquer relevo na linha “AA” terá a sua extremidade em contato
com um líquido mais quente que o presente junto as cavidade do relevo. Por causa disso, o
crescimento fica deficiente nas extremidades e o relevo tende a sumir. [7]
Deve-se perceber que no caso do gradiente positivo de temperaturas no líquidoé um
caso prático de extrema importância, correspondente ao escoamento de calor pelas interfaces
interiores de um molde. Não se observa, na prática, paredes planas durante a solidificação de
uma peça, por consequência do resfriamento não ser unidirecional e mesmo teores mínimos
de impureza podem tornar a parede plana instável, como se veráno tópico sobrea solidificação
de ligas.[7]
Crescimento com gradiente de temperatura negativo no líquido- nesta condição
o líquido além da interface, linha “AA”, está super-resfriado e o sólido praticamente
não existe, e quanto mais se avança além da linha “AA” mais super-resfriado fica,
conforme é exemplificado na figura 15.[7]
Figura 15 – Crescimento com gradiente negativo.
Fonte: Bradaschia, 1971.
30
A interface obtém uma aparência dentrítica, caracterizado por parecer com ramos de
uma árvore. O aparecimento de ramos secundários nas dentritas é causado pela liberação
veloz de calor latente junto à região que cresce mais rápida, provocando um aquecimento do
sistema localmente, elevando a probabilidade de surgir uma irregularidade ao longo de um
ramo primário, enquanto o calor latente é redistribuído. [7]
As dentritas apresentam um aspecto geometricamente regular devido a maior
facilidade que os átomos têm de prender-se em certos planos cristalográficos de preferencia
na passagem, sólido-líquido. As dentritas tem crescimento rápido e estão ligadas
preferencialmente em estruturas brutas de solidificação. [7]
2.6- Solidificação de ligas metálicas
Este é um tipo de caso de extrema importância para finalidades práticas, dentro deste
situa-se a solidificação de metais comercialmente puros que tem um comportamento igual à
de ligas por causa de suas impurezas. A solidificação de ligas também ocorre por um sistema
de nucleação e crescimento. Os tópicos estudados sobre nucleação para metais puros aplicam-
se também a ligas, entretanto, para o crescimento, este é mais complexo em ligas do que em
metais puros, pois, esta complexidade ocorre devido à redistribuição de soluto que ocorre
durante a solidificação. [7]
Nas condições de equilíbrio termodinâmico, as composições e porcentagens das fases
formadas na solidificação de uma liga, segundo Correia e Rhines, apud Bradaschia podem ser
previstas a partir do diagrama de equilíbrio do sistema considerado, as regaras para este caso
são amplamente conhecidas e simples. [9][10]
2.6.1- Solidificação de soluções sólidas em condições de não-equilíbrio
31
Um sistema isomorfo A-B, por exemplo, conforme mostrado na figura 16, em
situações de equilíbrio, abaixo da temperatura Ts, a liga de C em sua composição está
completamente sólida, apresentando cristais de composição constante de C.[7]
Figura 16 – Sistema isomorfo A-B em condições de equilíbrio.
Fonte: Bradaschia, 1971.
A liga c solidifica-se dentro de molde, num processo de fundição (ou lingotamento). O
primeiro líquido a ser formar dentro do molde de composição C terá a composição D e
aparecerá a temperatura TL. A representação deste sólido é feita por pequenos cristais (esses
cristais formam-se dentro do molde) e cresce na medida em que a temperatura cai. Quando
atingir a temperatura TL a cristalização do sólido estará à composição F, a temperatura T2
estará se depositando em um sólido de composição G, e continua assim para qualquer
temperatura abaixo de TL, até a solidificação ser completada. [7]
32
Cessada a solidificação em condições de não-equilíbrio, a microestrutura é
apresentada de forma esquemática na figura 17. As camadas mostradas, na realidade, não têm
fronteiras visíveis, pois, as composições do sólido variam continuamente em função da
temperatura em que ele se origina, ao longo da linha solidus (figura16).[7]
Figura 17 – Microestrutura pós-solidificação.
Fonte: Bradaschia, 1971.
A linha a esquerda do solidus é a composição média que o sólido segue, este desvio é
tanto maior quanto maior a velocidade de resfriamento, pois esta diminui o tempo disponível
para redistribuição de soluto por difusão. Os cristais formados denominam-se assim zonados
(“cored”). A principal consequência da formação de cristais zonados é a existência de líquido
abaixo da temperatura solidus de equilíbrio da liga. Aparecerá liquido até (figura 16) a
temperatura Ts, quando a composição média do sólido iguala-se à do líquido de partida (C,
figura 16). [7]
2.6.2- Super-resfriamento constitucional
Nos metais puros, conforme mostrado nos outros tópicos, o crescimento durante a
solidificação é influenciado pelo super-resfriamento térmico. [7]
33
Já nas ligas metálicas o super-resfriamento sofre indiretamente por causa de
composições do líquido junto à interface sólido/líquido, no processo de solidificação, este
fator é de extrema importância para as estruturas de peças fundidas de ligas metálicas.[7]
No processo de solidificação de uma solução sólida em condições de não-equilíbrio
cria-se gradientes de composição no líquido, junto à interface sólido/líquido, pois o sólido está
se formando em qualquer instante possui composição diferente da do líquido. [7]
Não havendo tempo para a decomposição dos gradientes por difusão no líquido, eles
seguem o crescimento do sólido, constituindo a zona líquido juntamente à interface
sólido/líquido.[7]
Durante a solidificação o primeiro sólido originado de uma liga Co do sistema A-B,
conforme mostrado na figura 18, tem composição KoCo em relação à do líquido de partida. [7]
O termo Ko e denominado coeficiente de distribuição de equilíbrio, Bradaschia define
o coeficiente Ko como a relação entre a concentração de soluto no sólido e a concentração de
soluto no líquido em equilíbrio com aquele sólido.[7]
Sempre se supõeKo constante, independente das hipóteses simplificadoras, para
desenvolvimentos matemáticos está hipótese de Ko constante está exposta na figura 18, onde
as linhas liquidus e solidus são retas. [7]
A solidificação se dará de forma unidirecional, após a formação do primeiro sólido, de
composição KoCo, o líquido fica enriquecido em soluto e vai colocar uma camada nova sólida
mais enriquecida em soluto que a de antes.[7]
34
Figura 18 – Solidificação de uma liga Co de um sistema A-B.
Fonte: Bradaschia, 1971.
O processo segue até atingir um estado parado, onde o soluto redistribuído por difusão
no líquido compensa o que não é aceito pelo sólido. [7]
O maior valor alcançado pela concentração de soluto no líquido é Co/Ko, juntamente à
interface sólido/líquido, caindo exponencialmente com a distância da interface até o valor Co,
conforme mostrado na figura 19.[7]
No estado parado, o perfil de concentração no líquido (figura 18) avança juntamente
com a interface sólido/líquido. [7]
Com a composição não estável do líquido, sua temperatura no inicio da solidificação,
com isto faz com que, mesmo com gradiente de temperaturas positivos no líquido, possa
aparecer em uma região super-resfriada do líquido, devido à composição variável do líquido,
conforme é exposto na figura 19.[7]
A variação de concentração no líquido não é um fator suficiente para existir super-
resfriamento constitucional, se o gradiente de temperatura no líquido for muito forte,
conforme mostrado na figura 20, pode ocorrer de não existir a zona super-resfriada
35
constitucionalmente. Para peças ou lingotes fundidos geralmente encontra-se a situação da
figura 19.[7]
Figura 19- Região super-resfriada no líquido.
Fonte: Bradaschia, 1971.
36
Figura 20- Comparação entre temperatura no líquido e na solidificação.
Fonte: Bradaschia, 1971.
Todos os dados apresentados até o momento foram baseados por Ko<1. Entretanto,
existe o fato de Ko>1, para isto existe um raciocínio análogo, como é exposto nas figuras 21,
22a e 22b.[7]
Figura 21- Solidificação de uma liga Co para Ko>1.
37
Fonte: Bradaschia, 1971.
Figura 22- Concentração de Co/Koe temperatura na interface líquido/sólido.
Fonte: Bradaschia, 1971.
2.6.3- Crescimento durante a solidificação de ligas
Pode ocorrer no processo de solidificação unidirecional de ligas a interface
sólido/líquido plana, pois não há super-resfriamento constitucional, conforme é exposto na
condição a da figura 23, e o gradiente é positivo na temperatura do líquido. Este é um caso de
extrema importância prática para a fundição. [7]
Figura 23- Temperatura do líquido em três casos diferentes.
Fonte: Bradaschia, 1971.
Como o super-resfriamento constitucional tem uma escala muito pequena, conforme
caracterizado pela figura 22 b, o crescimento é celular, isto é caracterizado pelo surgimento de
38
fibras paralelas entre si e geralmente paralelas em direção à solidificação. Este tipo de
crescimento é raríssimo na prática. [7]
Conforme falado o surgimento desta estrutura celular está ligado ao super-
resfriamento constitucional. Esta estrutura acaba por estabilizar qualquer relevo que apareça
na interface sólido/líquido. E o relevo não se tornadendrítico. [7]
Segundo Faleiros, apud. Bradaschia, a rejeição do soluto (Ko<1) no processo de
formação das dendritas faz com que elas acabem por serem zonadas. O zoneamento pode ter
seu aspecto esquematizado na figura 17 ou ser mais irregular, alternando regiões ricas e
pobres de soluto, com aspecto de anéis de crescimento. Estes anéis são mostrados em uma
liga de alumínio como mostra a figura 17. [11]
2.6.4- Solidificação de sistemas eutéticos em condições de não equilíbrio
O processo de solidificação de uma liga A-B com uma composição E, conforme
mostrado na figura 24, ocorre à temperatura constante TE,chamada temperatura eutética.[7]
Figura 24- Fases de uma liga eutética A-B.
39
Fonte: Bradaschia, 1971.
A solidificação de ligas eutéticas em condições de não-equilíbrio não é um fator
importante para a tecnologia de fundição de não-ferrosos. Mas é necessário sim considerar a
solidificação de ligas não eutéticas, mas pertencentes a um sistema eutético.[7]
Quando a velocidade de solidificação é muito grande, maior será a quantidade de
eutético, para uma composição especifica de liga, porque, quanto mais rápido a velocidade de
solidificação mais para a esquerda, (figura 25) desloca-se a composição média da solução
sólida zonada. [7]
Figura 25- Composição de uma liga eutética A-B.
Fonte: Bradaschia, 1971.
40
Um exemplo claro é que para o tratamento térmico de homogeneização é mais
importante para lingotes fundidos pelos processos de lingotamento contínuo e semi-contínuo,
quando comparados com a fabricação de lingotes por processo mais tradicionais.[7]
2.7- Macroestrutura bruta de solidificação
No estado bruto de solidificação um lingote apresenta uma secção transversal onde
pode haver diferenças macrográficas de três zonas: uma de coquilhamento, outra colunar e
outra zona de cristais equiaxiais, no meio da secção. A figura 26 exemplifica estas zonas da
macroestrutura. [7]
Figura 26- Zonas macroestruturais.
Fonte: Bradaschia, 1971.
Segundo Chalmers, apud. Bradaschia, a zona coquilhada é formada na maior parte
principalmente por nucleação copiosa que ocorre no líquido solidificado que entra em contato
com as interfaces interiores do molde. [13]
De acordo comWeinberg e Walton, apud Bradaschia, a formação da zona colunar é
condicionada por fatores térmicos e cristalográficos. Os primeiros cristais formados num
41
líquido tem uma orientação desordenada, entretanto, aqueles que têm uma orientação de
crescimento dendritico rápido com a direção do máximo gradiente térmico crescem mais
velozmente, e dominam a frente do crescimento. [12] [14]
Segundo Biloni, apud Bradaschia, a zona equiaxial é a mais desejada. As experiências
mostram que os grãos da zona equiaxial em lingotes industriais provêm de núcleos formados
ou na hora do vazamento do metal líquido ou durante solidificação, junto à superfície livre do
lingote. [15]
2.8- Segregação
A segregação pode ser dividida em quatro tipos a segregação dendritica, normal,
inversa e gravimétrica. A segregação é proveniente da rejeição do soluto Ko<1 da
solidificação das ligas. [7]
2.8.1- Segregação dendritica (zonamento)
A origem desse tipo de segregação já foram discutidas na seção 2.6, e têm
conseqüências sobre a microestrutura. [7]
Em algumas ligas é possível detectar a presença de zonamento, através de meios
metalográficos comuns, porque isto ocorre por uma diferença de composição entre o centro e
a borda de um corte de dendrita. [7]
Mais atualmente, estudos quantitativos de segregação, comprovam que é prática
comum o uso de microsonda eletrônica, pois permite executar ma análise química localizada,
em locais muito pequenos. [7]
Na prática ocorre o surgimento de constituintes eutéticos (ou peritéticos) entre
dendritas, dependendo da intensidade da segregação dendritica, esta pode ocorrer tabém em
ligas diluídas. [7]
A região onde a segregação dendrítica atinge a sua máxima intensidade é no contorno
de grão, ou seja, quase sempre o material de contorno de grão no estado bruto de solidificação
tem composição eutética (ou peritética). Pode-se constatar assim que o material fundido
possui uma fragilidade maior em comparação com o material conformado mecanicamente. [7]
42
A segregação dendritica também é conhecida como microssegregação, e é muito
difícil de ser evitada durante a solidificação de uma liga fundida, ela pode Sr controlada e
diminuída, porém, em alguns casos pode ser até eliminada via tratamento térmico. [7]
2.8.2- Segregação normal
É um tipo de segregação que se caracteriza pela distribuição de soluto ao longo da
direção normal á interface interior do molde, desconsiderando gradientes eventuais em outras
direções que podem ocorrer. [7]
Para uma avaliação da quantidade de segregação normal que pode ocorrer em uma liga
fundida, geralmente considera-se a concentração de elementos impuros em função da
distância da interface interior do molde. Existem técnicas que indicam qualitativamente a
segregação normal. [7]
Os tratamentos térmicos não causam efeitos perceptíveis sobre a segregação normal,
porque a distância de difusão envolvidas na redistribuição são sempre muito grandes. [7]
2.8.3- Segregação inversa
A segregação inversa é um tipo que possui um mecanismo inverso que difere quanto
às origens das segregações normais e dendríticas. Este tipo de segregação caracteriza-se por
uma concentração maior nas bordas de uma seção fundida do que no meio da mesma, quando
a liga tem Ko<1. [7]
Em casos mais extremos, que são muito comuns em ligas com um intervalo de
solidificação muito grande, a segregação manifesta-se na forma de exudações, muito ricas em
soluto, na superfície da peça. [7]
De acordo com Adams, apud Bradaschia, este tipo de segregação quanto mais colunar
for a estrutura e maior for o intervalo de solidificação e mais gás estiver dissolvido no líquido
maior será a intensidade da segregação. Este tipo de fenômeno não pode ser observado em
ligas que se expandem na solidificação. [16]
Para controlar este tipo de segregação, sempre se procura obter uma estrutura fina e
aquiaxial, durante o processo de lingotamento contínuo (ou fundição). Os tratamentos
43
térmicos não surtem efeito quanto ao controle deste tipo segregação, pois as distâncias de
difusão envolvidas na redistribuição de soluto são muito grandes. [7]
2.8.4- Segregação gravimétrica
Este tipo de segregação caracteriza-se por segregar-se dentro do líquido porque as
densidades do sólido e líquido são muito diferentes. [7]
Em ligas hipereutéticas, a possível segregação gravimétrica de ser considerada e em
ligas ricas em antimônio também (a fase rica em antimônio, primária, é muito menos densa
que o líquido). [7]
Pode-se evitar a segregação gravimétrica com adições que muda a sequência de
solidificação, produzindo fase primária com densidade próxima da do líquido, comumente, as
ligas que podem apresentar segregação gravimétrica são fundidas em peças com paredes fins,
em coquilha, de modo que, com a solidificação rápida, não há tempo para que o constituinte
menos denso sobrenade (ou para que o mais afunde). [7]
2.9- Variações de volume durante a solidificação
No processo de solidificação podem ocorrem variações de volume (contração, na
maioria dos casos), que devem ser consideradas no projeto da peça, moldes e canais, e podem
ocorrer defeitos de fundição. [7]
As contrações podem ser, geralmente, durante: [7]
- O resfriamento, no estado líquido. [7]
- No processo de solidificação, denominada contração de solidificação propriamente
dita. [7]
- E no processo de solidificação do estado sólido (contração do sólido). [7]
2.9.1- Contração de solidificação
O processo de contração de solidificação aparece durante a passagem de uma estrutura
desordenada do líquido, para uma estrutura ordenada do sólido, denominada estrutura
cristalina. [7]
44
A estrutura do sólido por ser mais regular, por ter um arranjo atômico mais ordenado,
mais denso, a contração de solidificação é mais rara, ou seja, ocorre com menos frequência.
Portanto, a contração de solidificação, segundo expõe Bradaschia, à variação mais
significativa dentre as que ocorrem durante o resfriamento de uma peça. [7]
Para não ocorrer lacunas na estrutura bruta de solidificação, deve haver uma
alimentação de metal liquido para junto das regiões já solicitadas, este procedimento é
realizado pelo projeto o molde, colocando-se alimentadores, de forma que o meio térmico das
peças estejam alojados nele. [7]
Outro processo para evitar as lacunas durante a solidificação da peça fundida é
promover uma solidificação direcional, este processo é feito direcionando o percurso de
solidificação. Este procedimento é restrito para peças com geometrias simples, sem variações
de seção. [7]
No começo do processo de solidificação de uma peça, as primeiras lacunas decorrente
da contração de solidificação, possuem muitos líquidos em suas vizinhança, estes líquidos
preenchem estas vizinhanças. No fim da solidificação das peças fundidas a contração vai estar
nas últimas regiões solidificadas. [7]
2.9.2- Contração do sólido
Depois de resfriado o metal fundido este ainda pode sofrer contração, esta contração é
denominada contração do sólido. Os moldes e as peças durante o processo de projeto devem
levar este tipo de contração em consideração, pois para se querem obter um bom controle
dimensional está fenômeno é de fundamental importância. [7]
Algo que dever ser lembrado também é que durante o resfriamento das peças elas
sofrem muitas tensões podendo levar as peças até a um trincamento, por muitas vezes estes se
exige do projetista a modificação do projeto da peça, e este por sua vez pode levar a um
agravamento devido à resistência aos esforços da contração do sólido. [7]
O metalurgista deve sempre considerar estes fenômenos que estão diretamente ligados
ao processo de solidificação das peças, e as possíveis trincas que podem ocorrer devido a
fatores mecânicos e metalúrgicos. [7]
45
3- FATORES DETERMINANTES PARA A ESCOLHA DO PROCESSO DE
FUNDIÇÃO
Antes de escolher o processo de fundição, em que será fabricada a peça, primeiro tem
que se verificar se cada um dos processos de fundição é adequado ao: [5]
Tamanho e geometria da peça;
Tipo de liga a ser fundida;
Acabamento e tolerância dimensional exigida;
Número de peças encomendadas.
Caso houver um empate entre dois ou mais processos de fundição, o que for
economicamente mais viável será o preterido. Entretanto, a avaliação econômica deve levar
em conta dois aspectos:
O custo de equipamento e (incluído amortização e manutenção) e material
permanente. Exemplo: um modelo para a fabricação de 1000 peças pode não ser
economicamente viável, pois, a quantidade não cobre os custos de produção,
entretanto, se a quantidade aumentar para 10.000 peças poderá ser mais viável a
produção desse lote. [5]
O custo de produção: custos dos insumos, como a areia, o metal etc, incluindo mão
de obra taxas de administração e lucro (over-head). [5]
Cada processo de fundição apresenta um custo unitário envolvido, que varia
inversamente com o número de peças a produzir segundo uma dada equação. A figura 27
mostra como varia o custo de uma determinada peça fundida, sendo fabricada por diversos
processos de fundição, partindo é claro do ponto de vista que todos os processos são viáveis.
[5]
É importante ressaltar que as peças produzidas pelos diferentes processos mostrados
na figura 27, tenham a mesma ordem de grandeza, ou seja, que utilizem a mesma proporção
de materiais. [5]
Vale ressaltar que os processos de fundição também competem economicamente com
outros processos de fabricação, como por exemplo, a conformação mecânica metalurgia do pó
46
e a usinagem. O processo de fabricação escolhido será sempre aquele que possuir o menor
custo envolvido. [5]
Figura 27 – Preço unitário versus número de peças para diversos processos.
Fonte: Soares, 2000.
Outro importante autor que destaca os fatores determinantes para a escolha do
processo de fundição é Siegel. Que enumera esses fatores como:
a) Tipo de metal – Este é um fator eliminatório na escolha de um processo de
fundição, pois o processo pode ser incompatível com o material empregado para a fundição.
Assim, caso se trate, por exemplo, de peças de aço, processos tais como o de fundição sob
pressão não são adequados para este tipo de material. Para peças de aço o processo de
fundição empregado tem que ser o de moldagem em casca ou de investimento, pois este tipo
de material com peças em pequenas dimensões têm uma temperatura elevada de vazamento.
[6]
47
b)Tamanho da peça a ser fundida- Para peças grandes e pesadas opta-se pelo
processo de fundição em areia seca, em areia cimento ou processo CO2, pois estes
proporcionam uma rigidez e resistência exigida para resistirem a altas pressões. [6]
c)Volume de produção-Para a produção em grande escala, ou seja, para a produção
seriada o processo de areia verde é o que melhor é empregado, pela facilidade com que se
podem sincronizar todas as operações, desde a preparação de areia, moldagem, vazamento e
desmoldagem. Por outro lado, o processo CO2, permite a produção de peças em series
pequenas ou mesmo a fundição de peças isoladas, por não precisar de mecanização especial.
Já o processo de moldagem em casca é utilizado com vantagem para produções medias.
[6].
d)Tolerâncias dimensionais- A tabela 4 mostra dados médios quanto às tolerâncias
dimensionais que podem ser obtidas com peças produzidas pelos vários processos de
fundição. Recomenda-se para obter uma peça com um grau elevado de precisão recorrer-se
para o processo de investimento e de fundição em moldes permanentes ou sob pressão.
[6]
e) Acabamento das peças- Para obter-se um grau de acabamento desejado indica-se
utilizar os seguintes processos: areia de macho, moldagem em casca, de investimento, e os de
moldes permanentes e os semipermanentes. [6]
f) Propriedades mecânicas e físicas das peças- As condições de resfriamento das
peças e pressões exercidas sobre metal durante o resfriamento influenciam diretamente sobre
as propriedades de grande maioria dos metais. A tabela 5 mostra a condutividade térmica de
muitos materiais utilizados para moldagem e devem ser escolhidos com critério em cada
aplicação. As variações de condutividade térmica dos materiais podem atingir valores de 1
para 20000°, o que permite utilizar estes materiais como moldes, com o intuito de controlar a
velocidade de resfriamento das peças. [6]
Outro fator importante a ser controlado são os gases provenientes dos moldes, que
podem acarretar defeitos nas peças fundidas. Em relação a pressões exercidas durante os
processos tais como o de centrifugação e o sob pressão, os seus efeitos aparecem na redução
da granulação da estrutura do metal e garantempeças mais densas pela eliminação de micro-
porosidades e de gases. [6]
48
Tabela 4 – Comparação dos diversos processos de moldagem.
Item Processo Areia verde - geral
Areia
verde -
ótimo
Areia seca
Moldage
m no chão
e em poço
Moldagem
em macho
1
Tamanho e peso
da peça
1 onça várias toneladas.
De 25 g até várias
toneladas
Grande,
qualquer
peso.
1 onça a várias
centenas de
libras.
De 25 g até
centenas de
quilos.
2
Complexidade da
peça:
Superfície externa
com molde.
Superfície interna
com macho.
Areia verde limitada por
desenho do modelo,
ilimitado para machos.
Sem limites
Ilimitados
para machos.
Sem limites
Sem limites.
Sem limites.
3
Número de peças:
Mínimo
Máximo
Um
Vida de molde limitada
Um
Vida de
molde
limitada
Um
Vida da caixa
de macho
limitada
4Ligas fundidas* 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 1,3,4,5,6,7,8,
9
1,2,3,4,5,6,7,8,
910,11
5
Tendência de
ruptura devido ao
Moldes e machos podem
ser colapsáveis.Moldes e machos
podem ser
Moldes e machos
podem ser
49
molde colapsáveis. colapsáveis.
6
Tipo de modelo Modelos de madeira
simples até modelos de
metal usinado, caixas de
macho.
Em geral
modelos de
madeira.
Caixas de
macho e
secadores.
7
Tolerâncias, mais
ou menos médias
Perpendicular ao
plano de
separação do
molde
1/32 polAl0,25%
3/32 polCu 0,8%
3/64 pol .F.cinz.0,4%
1/32 polF.F.mal.0,25%,
1/16 pol aço 0,5%,
1/32 polligas Mg 0,25%
Incluindo valores acima
0,4m/dm
até 0,1 mm
dim. Pç
Acresc.
0,25mm ao
acima
igual ou
melhor que
areia verde
8
Acabam. Da
superfície Micro-
pol. RMS
250 a 1000 RMS 100 a 250
RMS
Algo melhor
do que a areia
verde
9
Esp. secção, pol:
Mínimo
Máximo
3/16 pol ligas Al5
3/32pol ligas Cu 2,5
1/8polF.F.cinzento3
1/8polF.F.maleavel3
1/4 pol aço 6 a 13
5/32 pol ligas Mg 4
Ilimitado em moldes no
chão ou no poço
O mesmo
que para
areia verde
O mesmo que
para areia
verde
10
Diâmetro mínimo
do orifício
corresp. Aos
machos
1/4 pol.
6mm.
3/16 pol.
9m.
3/16 a 1/4 pol
5 a 6mm.
11
Capac. Relativa
de refriamento do
molde
1 1 0,2 a 1
* 1 – ferro fundido cinzento 5 – ligas cobre 9-ligas resistentes a calor e corrosão2 – ferro maleável 6- ligas níquel 10- ligas estanho3 – aço 7 – ligas zinco 11- ligas chumbo
50
4 – ligas alumínio8- ligas magnésio
Fonte: Siegel, 1977.
Tabela 5: Condutividade térmica de materiais de moldes.
MaterialCondutividade – Btu/hr/sq.ft/°F/pol.
T.A. 200°F 1000°F 2000°F
Areia seca - 0,133 0,300 0,600
Areia verde - 0,672 - -
Tijolo sílica 6,0 6,8 9,8 13,5
Magnesita 39,6 36,4 30,7 21,9
C-Si tijolo 87 - - -
Ferro fundido
cinzento325 - 280 -
Aço (0,4%) 360 - 365 -
Grafita - tijolo 698 - - -
Alumínio 1540 - - -
Cobre 2730 - - -
Fonte: Siegel, 1977.
g) Custo inicial do equipamento- De grande importância, pois, refletem diretamente
no custo de produção de peças fundidas. Um exemplo seria o custo em relação a dois
processos tais como o em areia seca e o CO2, o elemento decisivo pode ser a existência ou não
da estufa necessária onde elevaria seu custo. [6]
h) Custo dos materiais de moldagem- Este é outro fator que influência na escolha do
processo de fundição, pois, os custos dos materiais de moldagem constitui uma parcela
importante do custo de produção, estes por sua vez influem no preço da peça fundida.
[6]
Assim, é preciso tomar consideração, não só o custo como também a possibilidade de
recuperação dos materiais em jogo. Este é um fator tanto mais crítico quanto maior a
produção que se tem em vista. [6]
Para produção em pequenas escalas ou para a produção de peças isoladas compensa
mais o emprego de materiais mais caros mais que ofereçam maior segurança na sua aplicação.
51
Para a produção em série, o custo dos materiais torna-se mais critico, pois, tem a possibilidade
de acertar os fatores que influenciam sobre a qualidade do produto, por estes motivos
convêm-se adotar processo que permitam uma maior economia de materiais. [6]
i) custo do preparo do molde- Todas as operações que concorrem para o preparo do
molde a fim de que possa ser vazado, devem ser consideradas para que se chegue a uma
avaliação criteriosa do processo. A operação de moldagem representa apenas parte dos custos
de produção. [6]
A preparação da areia e seu transporte, o preparo e colocação dos machos, o transporte
e o vazamento dos moldes, o resfriamento, desmoldagem limpeza das peças, são operações
em que devem ser considerados seus custos em comparação com outros processos. [6]
Por exemplo, o processo de moldagem em casca permite grandes economias
decorrentes do menor volume de areia a preparar, do peso das cascas, da facilidade das peças
e de sua limpeza, etc. [6]
j) Método de limpeza das peças- Todas as peças depois de fundida dever ser limpa,
não deixando nenhum vestígio de areia ou outro material do molde. Quando as peças fundidas
destinam-se a usinagem posteriormente, a limpeza terá de ser mais rigorosa ainda, pois desta
forma economiza-se tempo de usinagem e tempo de vida útil das ferramentas de usinagem.[6]
Para obter-se um grau de limpeza elevada recorrer-se a duas soluções, proceder à
limpeza das peças em maquinários eficientes, como por exemplo, projeções centrifugas de
abrasivos metálicos, ou utilizar processos mais caros para obter na desmoldagem peças
praticamente limpas. A escolha do processo de limpeza fica a critério econômico.[6]
k) Usinagem da peça- A limpeza da peça fundida fica mais criteriosa se
posteriormente a peça ainda receber algum tipo de usinagem em máquinas ferramentas
automáticas de grande velocidade, equipadas com ferramental caro e complicado. A ruptura
ou um rápido desgaste da ferramenta podem acarretar a parada na linha de usinagem. [6]
A usinagem pode determinar exigências quanto às tolerâncias dimensionais e de
acabamento, e pode dar preferência a processos de moldagem que eliminam irregularidades
de dureza ou pequenos de feitos superficiais. Existe a prática de deixar uma casca a mais de
material após a fundição para ser usinada depois, porém esta casca sabe-se que é a parte mais
52
dura do material sendo assim mais difícil de ser usinada e também onde frequentemente se
localizam porosidades provenientes do molde. [6]
l) tratamentos superficiais- O acabamento e grau de limpeza das peças devem ser
compatíveis com o tratamento superficial que estas podem sofrer futuramente. Assim, peças
que se destinam a esmaltação a fogo, devem apresentar acabamento rugoso com o objetivo de
facilitar a aderência do esmalte. Peças que se destinam a niquelação, cromeação e para pintura
devem apresentar um acabamento superficial bem fino. [6]
A tabela 4 procura englobar de forma concisa elementos numéricos de comparação
dos diversos processos de moldagem. Em um mercado competitivo procura-se o processo de
fundição para cada peça, que apresenta as maiores vantagens, tanto econômica quanto de
qualidade da peça a ser fundida. Fundidores examinam exaustivamente as vantagens de cada
novo processo a fim de optar sempre pelo mais vantajoso, antes de adota-lo para suas linhas
de produção. [6]
Cada novo processo de fundição que se introduz no mercado sempre visa competir
com um processo já existente, mas também conquistar mercados limitados a outros processos
de trabalhar metais. Assim, com os processos de fundição em casca e de investimento, a
fundição compete diretamente com outros processos como o de forjamento e o de
estampagem na produção de numerosas peças, tais como virabrequins, válvulas e outras peças
para a indústria automobilísticas. O processo de fundição centrifuga também compete com o
processo de forjamento. [6]
4- PROCESSOS DE FUNDIÇÃO
Fundição é um processo pelo qual se vaza metal líquido em um molde visando obter
objetos na forma final. Praticamente todo metal inicialmente foi fundido, por o lingote que
primeiramente foi fundido em uma lingoteira, dando a este forma de lingote.
[4]
A fundição é datada a mais ou menos 4.000 anos antes de cristo, sendo assim, uma das
indústrias mais antigas no que se trata no trabalho com metais. Desde essa época, muitos
métodos têm sido empregados para fundir materiais. [4]
53
Os processos de fundição apresentam características próprias, mais especificamente
eles se dividem em quatro processos, são eles:
Fundição sob pressão.
Fundição de precisão.
Fundição por centrifugação.
Fundição contínua.
O foco deste trabalho será a fundição por centrifugação, os demais processos de
fundição não serão abordados.
Qualquer que seja o processo de fundição escolhido para a fabricação de peças, deve
considerar as seguintes etapas:
Desenho da peça.
Projeto do modelo.
Confecção do modelo.
Confecção do molde.
Alimentação das peças.
Vazamento no molde.
Limpeza e rebarbação.
Controle de qualidade.
A etapa que diferencia os vários processos de fundição entre si é a modelagem, ou
seja, a elaboração do molde na qual a peça fundida será vazada, adquirindo assim a forma
final desejada. [1]
Algumas dessas etapas serão mais detalhadas no decorrer do trabalho apresentando
suas peculiaridades e posteriormente será definido o processo de fundição por centrifugação
apresentando como é feito este processo e suas vantagens e desvantagens quando comparados
aos outros processos de fundição.
54
4.1 – Desenhos da peça
Quando se projeta uma peça para ser fundida devem-se levar em conta os fenômenos
que ocorrem durante a solidificação do metal líquido no interior do molde, evitando-se assim
que os defeitos que aparecem nesta etapa apareçam também na peça. Esses defeitos já foram
tratados anteriormente, ou seja, a porosidade e as bolhas que surgem nesta etapa.
[1]
Assim os principais fatores a considerar, durante a execução dos desenhos de uma
peça são;
Estrutura dendrítica.
Tensões de resfriamento.
Espessuras das paredes.
Devem-se considerar as seguintes recomendações:
Proporcionar adequadamente as seções das peças, projetando-as com formas mais
suaves, ou seja, evitado cantos vivos e mudanças bruscas, conforme é mostrado na figura 28.
Figura 28 – Concordância de seções em peças fundidas.
Fonte: Chiaverini, 1986.
55
Considerar uma espessura mínima de paredes, pois as paredes as paredes muito finas
não enchem bem o molde onde às peças serão vazadas, fazendo com que as peças não tenham
uma boa resistência. A tabela 6 mostra algumas recomendações a respeito das seções mínimas
das peças fundidas. [1]
Tabela 6 - Secções mínimas recomendadas em peças fundidas.
Liga
Secção mínima, em mm
Fundição em
areia
Fundição em
molde metálico
Fundição sob pressão
Grandes áreas Pequenas áreas
De alumínio 3,175 a 4,763,175 em áreas
pequenas1,905 1,143
De cobre 2,383,175 em áreas
pequenas2,54 1,524
Ferros fundidos
cinzentos3,175 a 6,35
4,76 em áreas
pequenas- -
De chumbos - - 1,905 1,016
De magnésio 4,00 4,00 a 4,176 2,032 1,27
Ferro maleável 3,175 - - -
Aço 4,76 - - -
De estanho - - 1,524 0,762
Ferros fundido
branco3,175 - - -
De zinco - - 1,143 0,38
Fonte: Chiaverini, 1986.
56
A tabela 7 traz um guia para as dimensões mínimas de orifícios. Estes orifícios devem
ser perfurados depois da peça fundida, e a localização dos orifícios deve ser extremamente
precisa em relação às outras seções das peças. [1]
Tabela 7- Seções mínimas de orifícios em peças fundidas.
Processo de
fundição
Diâmetro (mm)
Em areia D= ½ onde D= diâmetro do macho
t= espessura da seção em mm.
D não deve ser menor que 6,35 mm.
Em molde metálico D= ½ t, geralmente maior que 6,35 mm
Sob pressão:
Ligas à base de Cu
Ligas à base de Al
Ligas à base de Zn
Ligas à base de Mg
4,76
2,38
0,79
2,38
Fonte: Chiaverini, 1986.
Outro importante fator destacado por Chiaverini é prever a conicidade para uma
melhor confecção dos moldes. A figura 29 mostra que a confecção do molde pode ser muito
difícil se não houver conicidade suficiente o modelo. Recomenda-se que o ângulo de saída
tenha três graus. [1]
Figura 29 – Conicidade recomendada no projeto do modelo e confecção do molde.
57
Fonte: Chiaverini, 1986.
4.2 – Projeto do modelo e confecção do modelo e molde
Neste tópico serão abordados os principais pontos sobre como projetar um modelo
para a fundição de peças, levando em consideração os requisitos necessários para um projeto
adequado de um modelo.
Posteriormente, serãoabordados quais são os pontos principais, requisitos técnicos e os
materiais empregados para a confecção de um modelo e de um molde para a fundição de
peças.
4.2.1- Considerações sobre o projeto do modelo
Entende-se por modelação todos os fatores necessários para a fabricação de um corpo
chamado modelo, com o objetivo de se obter a partir deste a reprodução de peças fundidas, e
tendo como objetivo principal que é a ideia expressa de um projeto. [6]
Na técnica de modelação é indispensável considerar o projeto da peça, sendo que deve
ser feita tendo em vista a necessidade de reprodução em metal fundido e dentro da ideia
básica de ser necessário criar um negativo do modelo. [6]
Dentro dessas duas ideias básicas, da fundição e da criação do negativo, o projetista
deve imaginar as melhores condições para a obtenção de uma peça facilmente moldável e que
propicie condições de enchimento o mais fácil possível ao metal a ser utilizado. [6]
Peças mal projetadas além de dificultarem a execução da peça fundida, acarretam uma
elevação nos custos de produção, como também influenciam na qualidade das peças. E por
fim podem criar situações complexas na produção. Por estes motivos deve-se sempre estar
atento ao projeto da peça, sempre visando sua melhor moldabilidade. [6]
As figuras 30, 31, 32, 33, 34 e 35 exemplificam peças ou elementos de peças que
podem ser executados de modo certo ou errados. [6]
Em todos os exemplos de peças certas, o critério básico adotado, tem por finalidade a
obtenção de peças perfeitas, fáceis de executá-las, e preenchendo as características mecânicas
que suportem os esforços a que serão submetidas. [6]
58
Figura 30 – Exemplo de modelos para fundição.
Fonte: Siegel, 1977.
59
Figura 31 – Exemplo de modelos para fundição.
Fonte: Siegel, 1977.
60
Figura 32 – Exemplo de moldes para fundição.
Fonte: Siegel, 1977.
61
Figura 33 – Exemplo de moldes para fundição.
Fonte: Siegel, 1977.
62
Figura 34 – Exemplo de moldes para fundição.
Fonte: Siegel, 1977.
63
Figura 35 – Exemplo de moldes para fundição.
Fonte: Siegel, 1977.
64
4.3- Alimentação da peça
A alimentação da peça é o processo pelo qual se enche o molde com o metal derretido.
Neste capítulo será exemplificado com figuras como esse processo é feito. A figura 36 mostra
um canal de alimentação. [6]
Figura 36– Canal de alimentação.
Fonte: Siegel, 1977.
65
A figura 37 exemplifica a seção de um canal de descida e de distribuição com boas
condições para o vazamento sem que ocorra ar e sem que ocorram jatos turbulentos de
líquido. [6]
66
Figura 37– Canal de descida e distribuição.
Fonte: Siegel, 1977.
O dimensionamento de canais é exemplificado na figura 38.
67
Figura 38– Dimensionamento de canais.
Fonte: Siegel, 1977.
As figuras 39 e 40 mostram o dimensionamento dos canais alimentadores e
massalotes, respectivamente.
68
Figura 39– Canais alimentadores.
Fonte: Siegel, 1977.
69
Figura 40– Canais massalotes.
Fonte: Siegel, 1977.
70
5- FUNDIÇÃO POR CENTRIFUGAÇÃO
Neste capítulo começará a ser introduzido o foco principal deste trabalho, a fundição
por centrifugação, mais para isso foi necessário nos outros capítulos expor conceitos
fundamentais para o entendimento dos processos de fundição, suas características principais,
os fenômenos que ocorrem durante o resfriamento do metal fundido e qual o procedimento
para a escolha de um processo de fundição. Depois de exposto estes conceitos e criado uma
base sólida de conhecimentos e que será introduzido à fundição por centrifugação.
No processo mais comum de fundição, o molde é cheio pelo metal pela força da
gravidade e a pressão existente no molde e causada pela metalostática. E para isto existem
fatores como a densidade do metal e da altura de alimentação (da coluna) em que o molde
será alimentado pelo metal fundido. [7]
No processo de fundição sob pressão a gravidade é trocada por uma força externa
exercida por um pistão, este procedimento é feito com o objetivo de proporcionar uma peça
sem porosidades e mais densa. [7]
A fundição por centrifugação, assim como a sob pressão, procura obter as mesmas
vantagens, utilizando a força centrifuga para isto. Está força é produzida pela rotação do
molde (da coquilha) e do metal nela contida, substituindo a pressão mecânica. As pressões
exercidas no molde podem ser bem elevadas. [7]
Um exemplo, conforme exposto na figura 41, mostra um molde cilíndrico de raio
interno “R” contém uma camada de metal de densidade “D” e espessura “E”, gira em torno de
seu eixo longitudinal A uma Rotação “N” vezes por minuto. [7]
Para um elemento delgado de espessura “δr”, a uma distância “r” do centro do molde
cilíndrico, a área será conforme exposto na equação 5.1 e o volume será igual à equação 5.2.
[7]
rR
(5.1)
71
r δrR
(5.2)
A massa e a aceleração no sentido do centro são expostas na equação 5.3 e 5.4. [7]
Figura 41 – Pressão desenvolvida pela força centrifuga.
Fonte: Bradaschia, 1971.
Dr δrR
(5.3)
V ²r
=Π ² N ² r900
(5.4)
A equação 5.4 está em unidades de dinas, em kgf equação 5.5. A força total para
manter o sistema em movimento circular é expressa na equação 5.6. [7]
72
Π ² N ² Dr ² r900 Rg x 1000
(5.5)
Π ² N ² D9 R x 105 ∫
R−E
R
r ² dr=Π ² N ² D [ R3−(R−E)3]
27 Rg x105 (5.6)
Partindo de um exemplo de que: [7]
O diâmetro interno da coquilha é de 300 mm.
Com um raio de 15cm.
Espessura da camada de metal 5cm.
Densidade de 8 g/cm3.
Velocidade de rotação 1.000 r.p.m..
Com esses valores aplicando-se a equação 5.5, obtém-se aproximadamente 4,7
kgf/cm2. Comparando com um processo clássico isso corresponderia a uma coluna de metal
de aproximadamente 6 metros de altura. Estas fórmulas são aplicáveis a peças simétricas e
assimétricas. [7]
É perceptível que a ação das forças centrífugas nesta ordem de magnitude, o metal
dentro do molde no processo de fundição centrífuga sofre uma violenta pressão contra a
parede, pressão está gerada pela força centrifuga. [7]
Forma-se assim uma massa compacta e os gases mais leves migram para o interior das
peças fundidas. Comparando este processo com processo de fundição mais clássicos pode se
perceber que o objetivo é alcança da mesma forma, porém, com materiais que ocupam uma
dimensão espacial menor e as peças fundidas obtém o mesmo grau de qualidade, ou seja,
eliminam porosidade e obtêm peças mais densas assim como a fundição sob pressão,
entretanto, sem a necessidade de esforços mecânicos. [7]
5.1- Tipos de fundição por Centrifugação
73
Os tipos de fundição que aproveitam a aceleração centrífuga para melhoria da
densidade das peças fundidas e garantem uma estreita estrutura granular, um melhor detalhe,
propriedades mecânicas excelentes e distribuem o material fundido no molde são três:
fundição centrífuga verdadeira, semicentrífuga e fundição centrifugada, porém essas se
diferem nos detalhes da sua aplicação. O sistema de trabalho é simples e há economia de
material nesse tipo de fundição. [7]
No primeiro tipo, o metal derretido é colocado na cavidade central do molde através de
um orifício apropriado. Os moldes utilizados na fabricação de fundição centrífuga verdadeira
são redondos, e são geralmente feitos de ferro, aço, ou grafite. Pode ser utilizado algum tipo
de revestimento refratário ou areia para a superfície interna do molde. [7]
Há muitas aplicações da fundição centrífuga verdadeira na indústria de fabricação de
hoje. O processo tem várias vantagens muito específicas. Produtos fabricados por esse
processo incluem vários tubos, tais como canos de esgoto, tubulações de gás e linhas de
abastecimento de água, também buchas, anéis, cilindros de óleo do motor, tambores de freio,
e estoque de engrenagem em branco, como pode ser observado na figura42. [7]
Figura 42 – Produtos originados da fundição por centrifugação.
Fonte: UDESC, 2015.
74
Para esse processo alguns meios mecânicos são necessários para girar o molde.
Quando é utilizado para a área industrial, isto é conseguido através da utilização de rolos. O
molde gira em torno do seu eixo a uma velocidade que precisa ser bastante elevada para
preservar o metal fixo à parede do molde, até ocorrer à solidificação, pois se a velocidade for
baixa há risco de o metal vazar ou escorregar dentro do molde. [7]
Os moldes para peças pequenas podem ser rodados em torno de um eixo vertical. No
entanto, na maioria das vezes, serão rodados em torno de um eixo horizontal. Os efeitos da
gravidade sobre o material durante o processo de fundição de metal é o que torna necessário
lançar mais peças com forças geradas a partir da horizontal, em vez de rotação vertical. [7]
No tipo chamado de semicentrífuga, é utilizado um macho central, geralmente de aço,
que solidifica rapidamente a parte interna da peça e ainda permite a fundição mesmo das
peças que não tenham a superfície interior com a forma cilíndrica, mas é necessário manter a
simetria axial. [7]
Mas para peças de qualquer forma ou tamanho o eixo de rotação será sempre vertical.
Para moldes de grandes eixos, esse processo é o mais adequado. A utilização de um núcleo
forma um furo redondo ou outra forma O molde fica fixo a uma tabela de fundição e esse tem
o eixo direcionado no eixo de rotação. [7]
O último tipo, chamado de fundição centrifugada, é bem diferente dos outros dois, é
mais parecido com a fundição normal. Geralmente, os moldes são de tamanho reduzido e são
dispostos fora do eixo de rotação e são alimentados por um canal situado no eixo. Para
aumentar a densidade das peças e melhorar a alimentação dessas, é utilizada a força
centrípeta. [7]
5.1.1– Fundição por centrifugação horizontal
Para se produzir peças com eixo de revolução horizontal é realizado o processo de
fundição por centrifugação horizontal.
Quatro características devem ser levadas em consideração e executadas de forma
precisa para uma máquina de fundição por centrifugação horizontal:
Deve ser regulável a velocidade de rotação da moldação.
75
Capacidade de se espalhar o metal fundido na moldação rotativa da máquina.
Velocidade constante do derramamento do metal, para não haver variações na
espessura do fundido.
A extração do fundido deve ser permitido pela máquina.
Dependendo das formas geométricas das peças que se quer produzir, da quantidade e
dos metais que serão utilizados, podem ser utilizados diferentes tipos de moldes. Esses podem
ser chamados de permanentes que são os moldes em grafite, ferro fundido e cobre e metálicos
com partículas de areia.
5.1.1.1 – Equipamentos de centrifugação horizontal
Pode ser bastante variado o equipamento usado, de acordo com processo realizado e a
dimensão das peças que serão fundidas. Para a fundição horizontal de buchas de bronze e
outras peças parecidas, geralmente é usada uma placa ou aranha fixada ao eixo pela
extremidade, sendo parafusado o molde. [7]
Quando se faz a produção em maior quantidade, o molde é de ferro fundido ou de aço.
Para a colocação do metal, uma extremidade é aberta e a outra fechada. O controle da
espessura da bucha é feito por uma placa fixa à extremidade aberta, onde contém um orifício
central que terá o diâmetro interno que se deseja. [7]
Quando se trata de peças com diâmetro ou comprimento muito grande, utiliza- se um
cilindro, geralmente de ferro fundido, que gira sobre roletes a motor. Até o cilindro pode ser o
molde, mas para isso é comum ele ser revestido por uma camada de areia verde, permitindo
assim, que o mesmo cilindro seja usado várias vezes para produção de peças de tamanhos e
formas variados. Para se usar areia, deve-se introduzir o metal a uma baixa velocidade de
rotação, para que não ocorra erosão do molde. [7]
Depois de se formar uma camada de metal solidificado na face, a velocidade é
aumentada ao máximo que se deseja. Para fundição de peças de até 2 metros de diâmetro e 3
metros de comprimento, como cilindro de calandragem em fábricas de papel, é usado esse
processo. Se fosse realizado outro processo para fundir tais peças, isso seria muito difícil de
conseguir. [7]
76
Para se fabricar tubos de ferro fundido para redes de suprimento de água, é realizado
esse processo, esse sistema é ilustrado na figura 43.
Figura 43 – Sistema de fundição por centrifugação horizontal.
Fonte:Chiaverini, 1986.
5.1.2– Fundição por centrifugação vertical
Mas se o eixo é vertical, o peso do molde e da peça se apoia sobre o rolamento de
escora, facilitando que peças pesadas sejam fundidas. Nesse tipo de eixo, o molde é
completamente aberto em cima e a espessura da parede depende da quantidade de metal
vertida. Porém, se a peça tivesse comprimento maior do que o dobro do seu diâmetro, a
velocidade de rotação exigida deveria ser o máximo para que se mantivesse a espessura da
parede mais uniforme. Para essas peças seriam indicados à fundição horizontal ou o processo
semicentrífugo. [7]
Neste caso, o eixo de rotação sempre será vertical, o equipamento tem uma placa
giratória onde se fixa o molde e um dispositivo que mantém o macho centralizado no molde.
77
Neste equipamento, tanto o molde quanto o macho podem ter outras formas diferentes da
cilíndrica, contudo, deve ser simétrica ao eixo de rotação. Enquanto a plataforma gira, o metal
é vertido rapidamente no espaço entre o molde e o macho, até ser completamente enchido. [7]
No caso da produção em massa de buchas de bronze, o macho é feito de aço, sendo
necessário sua retirada à medida que o metal for se solidificando, se isso não for realizado, a
contração do metal pode prendê-lo no lugar. Para resolver esse problema, a máquina tem um
acoplamento giratório que é levantado, mecânica ou manualmente, por meio de um cabo ou
de uma corrente. Já o macho de areia, gesso ou algum outro material que se desfaz esse
equipamento não é necessário. [7]
O esquema desse processo é ilustrado na figura 44.
Figura 44- Sistema vertical de centrifugar.
Fonte: Chiaverini, 1986.
78
O eixo de rotação na fundição centrifugada também é sempre vertical. Como será o
método de fixação do molde depende do material de que este é feito. [7]
Caso seja metálico, para produção de muitas peças, poderá ser parafusado no eixo
diretamente, mas se for de areia, gesso ou outro material que também seja frágil, precisa ser
utilizado um suporte, uma espécie de cesta. [7]
Para verter o metal, é feito por meio de um canal central que distribui para as
cavidades individuais. Deve-se ter um equilíbrio na disposição simétrica das peças ao redor
do eixo e o contrapeso quando for fundir uma peça por vez. [7]
As diferenças entre esse processo e o anterior é que o metal geralmente é vazado no
molde estacionário, e só é iniciada a rotação depois de estar cheio. A função da força
centrífuga nesse caso é a de melhorar a alimentação, na fundição por centrifugação horizontal
deve ser bem maior. [7]
5.2 – Moldações utilizadas em fundição por centrifugação
Podem-se fazer os moldes de vários tipos de materiais, mas a preferência é pelo ferro
fundido ou o aço para fundição em grande escala. Na fundição centrifugada, principalmente
na do alumínio, os moldes podem ser bem complexos, assim como na fundição sob pressão,
para que permita a produção de peças com partes reentrantes ou que sejam paralelas
perfeitamente. [7]
Quando se quer produzir quantidades médias, geralmente se usa a grafita que tem as
vantagens de ser leve, conduzir bem o calor, ter facilidade de ser usinado e não ser atacado
pelos metais fundidos, pois esses não se aderem ao molde. [7]
Como ele é mole, pode ser riscado e estragado, isso reduz a sua vida útil. A grafita tem
o tamanho máximo limitado, isso acaba limitando também o tamanho do molde. [7]
Agora, se a quantidade de peças a serem fundidas for pequena, o tiver um tamanho
grande, é utilizado areia, seca ou verde. Para se produzir os moldes, podem ser inclusos
densificadores que aumentam a velocidade de resfriamento de áreas espessas. [7]
As conhecidas como “superligas”, que têm alta temperatura de fusão, geralmente são
fundidas utilizando o processo centrifugado com areias muito refratárias. [7]
79
Peças de tamanho pequeno, especialmente as de alumínio, comumente são fundidas
em moldes de gesso que permite uma superfície mais lisa e detalhes mais precisos, o que é
difícil de produzir com mais tipos de materiais. [7]
Na fundição semicentrífuga, são utilizados os machos, de aço para produção em larga
escala e de areia para quantidades menores e grandes tamanhos. Para esta finalidade não se
pode usar a grafita, pois ela é muito frágil e para retirar o macho iria quebrá-lo. [7]
Os canais de alimentação são usados só na fundição centrifugada, onde são pequenos.
Podem ser utilizados também massalotes, mas se for utilizado o molde corretamente isso não
será necessário. [7]
5.3 – Parâmetros de fundição por centrifugação
Os parâmetros envolvidos na fundição por centrifugação são as seguintes:
Temperatura de processo.
Vazamento do metal.
Velocidade de rotação.
Solidificação.
Materiais utilizados.
Todos esses tópicos serão abordados no transcorrer do texto, porém, a velocidade de
rotação do molde e o vazamento serão mais aprofundados no estudo, pelo grau de importância
destas variáveis, pois afetam diretamente no processo de fundição por centrifugação.
5.3.1 – Temperatura de processo
A temperatura do processo de fundição por centrifugação tem que ser mantida a mais
baixa possível, pois para obter-se uma peça sem defeito o controle desta variável é de extrema
importância. [18]
5.3.2 – Vazamento do metal
80
No processo de vazamento do metal a temperatura pode ser igual ou inferior, mais não
muito, a aquela usa nos processos clássicos de fundição. A velocidade de vazamento tem de
ser a máxima possível sendo que um fator limitante é a fundição horizontal, pois, o metal
pode se fundir com a parede rotativa do molde, sem ocorrer à formação de um poço na parte
de baixo do molde. [7]
5.3.3 – Velocidade de rotação
Esta variável é muito inconstante, pois, varia muito devido ao tamanho da peça e o
processo usado (horizontal ou vertical). Na fundição semi e centrifuga a velocidade é
calculada por dois métodos. [7]
O primeiro método leva em conta a velocidade periférica, que é conservada em estado
constante, essa velocidade é mantida a 300 metros por minuto na maioria dos casos, no ponto
mais afastado do eixo de rotação. [7]
O segundo método, amplamente utilizado, a preocupação é a força centrifuga que tem
que ser controlada, pois, esta deve ser de 50 a 100 vezes a da gravidade, esta força centrifuga
é calculada através da equação 5.7.
G=5,6 x 10−6 n ² d (5.7)
Onde “d” é o diâmetro interno da peça em centímetros e “n” é o númerode rotações
por minuto, sendo expressa em quilograma-força por quilograma. [7]
Independente do método utilizado, não existe nenhuma vantagem em ultrapassar a
velocidade ótima de rotação. Esse excesso de velocidade pode provocar na peça trincas nas
suas bordas, além de correr o risco do molde se quebrar, por excesso de pressão. Caso a
velocidade seja baixa demais gotas de metal podem pingar na parte superior do molde dando
lugar a falhas. [7]
No começo do vazamento, a velocidade de rotação pode ser controlada com o objetivo
de evitar a erosão dos moldes de areia e gesso, elevando-a até um valor de interesse quando
um pouco do metal já foi vazado. [7]
81
5.3.4 – Solidificação
A solidificação dos materiais submetidos aos processos de fundição já foram
amplamente discutidos em capítulos anteriores. Entretanto apenas como nota recordativa, já
que esta influi no processo de fundição por centrifugação, esta será abordada sucintamente
neste tópico.
No processo de centrifugação horizontal a solidificação acontecepor
meio do arrefecimento ocasionado pelo intermédioda parede da moldação
e pela água. Assim se forma a solidificação pela parte exterior da peça em
sentido ao seu interior. A solidificação é ocasionada por diversosmotivos,
tais como a velocidade de rotação da moldação, a grossura da parede do
próprio molde, a temperatura inicial do molde e também pelas próprias
condições do nível dos equipamentos a onde está ocorrendo à fundição.
Estes motivosmexem significativamente com a qualidade,porque podem
criar defeitos superficiais e estruturais nas peças fundidas. [18]
5.3.5 – Materiais utilizados
Quase todas as ligas metálicaspodem ser fundidas em processos
estáticos e podem ser também ser processada por uma máquina de
fundição por centrifugação. As exclusõessão as ligas em que os elementos
que as constituem apresentam divergências significativas de densidade
entre si, porquedeste modo ocorre uma divisão desses elementos sendo
os elementos mais densos colocados nas zonas do material que está
sendo fundido de maior diâmetro. Este é o caso, por exemplo, de ligas de
ferro com um alto teor de carbono (entre 0,4 a 0,85% de carbono). [18]
5.4 – Vantagens e desvantagens da Centrifugação
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A fundição por centrifugação apresenta diversas vantagens sobre os processos mais
clássicos de fundição, entretanto, apresenta também algumas desvantagens. Resumidamente
as vantagens e desvantagens compreendem os pontos a seguir. [7]
Rendimento: Nas peças feitas por centrifugação ou semi centrifugação, existe uma
falta de canal de alimentação e massalotes o que resulta num alto rendimento. A peça atinge
90% ou mais em comparação ao metal vazado. Até mesmo em peças feitas por centrifugação,
esta porcentagem é bem maior que aquela alcançada nos processos clássicos. [7]
Uniformidade: As peças feitas por fundição por centrifugação apresentam uma
uniformidade de suas propriedades mecânicas muito boas em comparação com processos
clássicos de fundição, independente do tipo de molde utilizado, ou seja, a uniformidade é
muito boa em moldes de aria ou moldes semi-permanetes. [7]
Nas seções convencionais, não há mudança de composição nas ligas que originam
soluções sólidas. Em alguns casos, por exemplo, nas ligas de cobre que contém chumbo,
ocorrerá segregação da fase mais pesada na direção do meio para fora. Isto ocorre porque se
tem umaalta força centrifugal, esta segregação pode ser muito maior do que na fundição
clássica, mas é na maioria dos casos insuficiente para inviabilizar a peça. [7]
Propriedades mecânicas:Assim como nos processos mais clássicos de fundição, as
propriedades mecânicas das peças vão depender da liga e da velocidade de esfriamento do
metal. Comparando as peças fundidas por centrifugação, estas conseguem uma atingir
propriedades mecânicas que são mais uniformes e tem uma variedade de aproximadamente 10
% mais altas em peças feitas em moldes de areia até 30 a 40% melhor para as coquilhas. [7]
Custo: Os maquinários e moldes envolvidos no processo de fundição por
centrifugação tem um custo elevado, mas para a produção em pequenas escalas os custos
tornam-se mais razoáveis. Na produção de algumas peças especificas a fundição por
centrifugação é o único processo capaz de produzir a peça desejada e outro fator que dever ser
levado em conta é a qualidade das peças produzida que acaba por justificar o investimento
feito no processo por centrifugação. [7]
Riscos operacionais: O processo de fundição por centrifugação exige que se tenha um
conhecimento dos processos básicos de fundição e também um profundo conhecimento de
engenharia mecânica no que se diz respeito a máquinas giratórias. O processo de
centrifugação é muito perigoso, pois quando se tem uma combinação de metal derretido (altas
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temperaturas) e um equipamento rotativo exigem-se fatores que garantam a segurança dos
operadores, o processo deve possuir também uma manutenção impecável. [7]
6- CONCLUSÃO
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Apresentado os temas relacionados com a disciplina Processos de Fabricação III,
conclui-se que o aprendizado da disciplina foi muito mais aprofundado com esta nova
metodologia de trabalho adotada. Portanto, fica claro para os alunos integrantes deste trabalho
que para o desenvolvimento tecnológico e cientifico do país, metodologias como estas devem
ser mais exploradas e aplicadas dentro dos centros universitários. Assim, desenvolve nos
alunos a capacidade de pesquisar e buscar conhecimentos para além do que é ensinado dentro
das salas de aula.
7- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
85
[1] CHIAVERINI, V. -Tecnologia mecânica – processos de fabricação e tratamento. São Paulo, Editora McGraw-Hill, segunda edição, segundo volume, 1986.
[2] WILLIAM, D.; CALLISTER, JR. - Ciência e engenharia de materiais – uma introdução. Rio de Janeiro, Editora LTC, sétima edição, volume único, 2008.
[3] TORRE, J. - Manual prático de fundição e elementos de prevenção da corrosão. São Paulo,EditoraHemus, primeira edição, volume único, 2004.
[4] DOYLE, L. E.; MORIS,J. L.; LEACHS, J. L.; SCHRADER, J. F. – Processos de fabricação e materiais para engenheiros.Rio de Janeiro, Editora Edgard Blücher LTDA, primeira edição, volume único, 1966.
[5] SOARES, G. A.; Fundição: mercado, processos e metalurgia. Rio de Janeiro, Editora COPPE UFRJ, primeira edição, volume único, 2000.
[6] SIEGEL, M.; Fundição. São Paulo, Editora ABM – Associação Brasileira de Metais, nona edição, volume único, 1977.
[7] BRADASCHIA, C.; Curso de fundição de ligas não ferrosas. São Paulo, Editora ABM – Associação Brasileira de Metais, volume único, 1971.
[8] HUME-ROTHERY, W.;Estruturas das ligas de ferro. São Paulo, Editora Edgard BlücherLtda, p. 112-113, 1969. (Tradução da primeira edição inglesa, Pergamon Press, 1966).
[9] CORREIA, L. C.; Princípios básicos de metalurgia. São Paulo, Editora Associação Brasileira de Metais, pontos 16 e 17, 1958-1959.
[10] RHINES, F. N.; Phasediagrams in metallurgy. São Paulo, Editora MacGraw-hill book Inc., 1956.
[11] FALEIROS, G. S.; Transformações estruturais durante a homogeneização de alumínio comercialmente puro. São Paulo, Editora EPUSP, 1970.
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[12] WEINBERG, F.; CHALMERS, B.; Furtherobservationsondendriticgrowth in metals. EditoraCanadianJournalofPhysics, v. 30, p. 488, 1952.
[13] CHALMERS, B.; Principlesofsolidification. Editora John Wiley& Sons, 1964.
[14] WALTON, D.; CHALMERS, B.; The originofpreferredorientation in thecolumnar zone ofingots. Editora Transactions AIME, v. 215.
[15] BILONI, H.; Estado atual da pesquisa na área de solidificação dos metais e ligas. Editora Metalurgia ABM, v.26, p. 803, 1970.
[16] ADAMS, D. E.; Segregation in aluminium-copper alloys. Editora Journal of the Institute of Metals, v. 75, p. 809, 1949.
[17] Disponível em:www.joinville.udesc.br/portal/professores/verran/materiais/Seminario_ Guilherme_Espin_dola_Fundi__o_por_Centrifuga__o.pptx. Visitadoem 20/06/2015.
[18] Semautor; Metalshandbook: Casting. Editora ASM International, 9° edição, volume 15, 1998.
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