Processos de Fundição

O processo de fundição consiste em vazar (despejar) metal líquido num molde contendo

uma cavidade na geometria desejada para a peça final.

Os processos podem ser classificados pelo tipo de molde e modelo e/ou pela força ou

pressão usada para preencher o molde com o metal líquido. O processo de fundição permite

obter, de modo econômico, peças de geometria complexa, sua principal vantagem em

relação a outros processos.

O processo de fundição aplica-se a vários tipos de metais, tais como aços, ferros fundidos,

alumínio, cobre, zinco, magnésio e respectivas ligas.

Porém existem também desvantagens. Os aços fundidos, por exemplo, podem apresentar

elevadas tensões residuais, microporosidade, zonamento e variações de tamanho de grão.

Tais fatores resultam em menor resistência e ductilidade, quando comparados aos aços

obtidos por outros processos de fabricação como conformação a quente.

Processos Típicos

Classificação

Existe muitas variantes no processo de fundição (grau de automação, produtividade,

precisão dimensional, acabamento superficial), entretanto destaca-se a influência do tipo de

molde nas propriedades físicas do material resultante. A taxa de extração de calor através

do molde determina o tamanho final de grão, e, portanto a característica de resistência

mecânica da peça.

Por este motivo os processos de fundição são muitas vezes classificados de acordo com o

tipo de molde utilizado.

Os processos típicos podem ser classificados em quatro grupos básicos:

a) Areia Verde (molde é descartável)

b) Molde Permanente (molde é metálico, bipartido).

c) Injeção (molde é metálico, o metal líquido entra sob pressão)

d) Cera Perdida (molde e modelo são descartáveis)

Etapas do Processo de Fundição

Etapas do Processo de Fundição

Apesar do grande número de variantes do processo de fundição, a obtenção dos diferentes

tipos de ferros fundidos pode ser sintetizada de acordo com o fluxograma a seguir:

Veja abaixo os passos de fundição em molde de areia de uma peça cilíndrica com furo

passante.

Seleção do Processo

Fatores a Considerar O tipo de processo a usar deve ser escolhido adequadamente. Os mais importantes fatores

a considerar são:

Quantidade de peças a produzir

Projeto da fundição

Tolerâncias requeridas

Grau de complexidade

Especificação do metal

Acabamento superficial desejado

Custo do ferramental

Comparativo econômico entre usinagem e fundição

Limites financeiros do custo de capital

Requisitos de entrega

Comparação entre Processos

Resumo das características dos principais processos de fundição, incluindo os grupos:

fundição em areia, fundição em moldes de precisão (molde permanente, fundição sob

pressão, molde cerâmico...), fundição em casca e, molde de cura química. Tabela comparativa entre processos de fundição

Noções sobre a Teoria de Solidificação

Nucleação e Crescimento

Um metal no estado sólido possui átomos que vibram com certa freqüência em torno de

posições geométricas definidas (determinadas pelo tipo de arranjo cristalino específico do

metal em questão). No estado líquido, tais átomos, além de vibrarem, não possuem posição definida, pois estão

em movimento dentro do líquido.

Por se movimentarem, os átomos no estado líquido entram em colisão, envolvendo milhares

de átomos simultaneamente.

Pode-se imaginar que nesta colisão, surge um agrupamento momentâneo de átomos,

formando um núcleo, com um dado arranjo atômico (CCC, CFC, HC, etc.). O núcleo é um

sólido que pode crescer ou se dissolver, dependendo da temperatura do sistema. O

crescimento do sólido se dá por migração de átomos do líquido para o sólido, acoplando os

átomos nas posições de equilíbrio do reticulado que é específico do metal em questão,

conforme indicado na figura.

A temperatura na qual ocorre equilíbrio termodinâmico entre um sólido e seu respectivo

líquido é a temperatura de fusão (que é igual à de solidificação apenas em substâncias

puras e sistemas eutéticos). Contrariamente ao senso comum, tal definição não significa que

a solidificação se inicia nesta temperatura.

O estudo da solidificação envolve duas abordagens distintas. Na abordagem termodinâmica,

analisam-se as energias envolvidas na solidificação enquanto na abordagem cinética,

analisa-se a velocidade com que os processos (de nucleação e crescimento) acontecem.

Trataremos aqui da abordagem termodinâmica.

Temperatura na Solidificação

A solidificação é composta dos processos de NUCLEAÇÃO e CRESCIMENTO DE

CRISTAIS a partir de um líquido. Ocorre no resfriamento, conforme curva de temperatura

abaixo. (Recalescência = Elevação súbita e espontânea da temperatura durante o

resfriamento).

CURVA TÍPICA DE TEMPERATURAS DE RESFRIAMENTO

Na região L (estado líquido), a temperatura diminui por efeito de transmissão de calor

através do molde. A temperatura aumenta a Partir de Tf -DT pelo efeito de rescalescência.

Inicia-se a solidificação, através do aparecimento dos primeiros núcleos sólidos. No patamar

L+S há a coexistência dos estados líquidos e sólidos. Ao final do patamar toda a massa está

solidificada ( início da região S).

Note: a solidificação se inicia numa temperatura situada no intervalo DT, portanto o líquido

se encontra abaixo da temperatura de fusão ( Tf ),super-resfriado.

Balanço de Energia - Energia de Gibbs

Em sistemas sob pressão e temperatura constantes, a energia controladora do processo é a

energia livre de Gibbs (G).

Tal energia é definida por

G = H -TS

Onde: T é a temperatura, H é a entalpia e S a entropia da substância em questão.

A entalpia pode ser entendia fisicamente como uma medida da quantidade de calor existente

na substância e a mesma é “estocada” na forma de amplitude de vibração dos átomos.

Portanto, a medida da entalpia (unidades de energia) reflete uma medida da energia de

ligação entre os átomos.

Por sua vez, a entropia pode ser entendida como uma medida da desorganização interna da

substância, isto é, uma medida de como os átomos se arranjam. Em um líquido, os átomos

se arranjam de modo desordenado enquanto em um sólido, há maior ordenação (menor

entropia), pois os átomos ocupam posições regulares (formando o reticulado cristalino CCC,

CFC e outros).

Sabe-se que no universo a energia é constante e que a variação da entropia é igual ou

maior que zero (tendência à desordem)

A energia de Gibbs é portanto um parâmetro indicador da estabilidade em sistemas sob

temperatura e pressão constantes. O sistema tende a seu estado de mínima energia livre.

Para o caso de transformação de fases numa substância, trabalha-se com a variação da

energia livre DG , na forma:

DG= G sólido – G líquido ou DG = DH-TDS

onde DH é a variação de entalpia e DS é a variação de entropia entre os estados da

transformação (líquido e sólido).

Como conseqüência do fato de que o sistema (sob temperatura e pressão constantes) tende

a evoluir no sentido de minimizar a energia livre de Gibbs, temos que a variação desta

energia (DG) é um valor que indica o sentido espontâneo de uma reação (quando o sistema

se encontra sob temperatura e pressão constantes), de acordo com:

se DG > 0 : reação impossível (não ocorre)

se DG = 0 : reação em equilíbrio

se DG < 0 : reação pode ocorrer (sentido espontâneo)

Além do aspecto de que o valor de DG indica a tendência de reação , tal valor é uma medida

da energia disponível para que ocorra a reação, podendo ser interpretado como a força

motriz da transformação. Quanto mais negativo for DG, maior a força motriz e maior a

tendência de ocorrer a reação.

Termodinâmica da Nucleação

O objeto deste enfoque é a energia envolvida no processo, particularmente a força motriz e

a barreira energética.

A nucleação é um fenômeno que pode ocorrer com a formação de núcleos diretamente a

partir do líquido (nucleação homogênea) ou com a formação de núcleos sobre superfícies

pré-existentes (nucleação heterogênea), abordadas abaixo:

Nucleação Homogênea

O início da solidificação ocorre com a formação de núcleos sólidos estáveis que

posteriormente crescem.

Para que haja formação destes núcleos, é preciso que DG£ 0

Por outro lado, a formação de um núcleo envolve duas energias.

A primeira é uma energia de volume (DGVOL), resultante da transformação do líquido em

sólido e que é liberada pelo sistema, atuando como força motriz da solidificação.

A segunda é uma energia de superfície (DGSUP), pois o surgimento do núcleo implica na

criação de uma interface entre sólido e líquido, que exige consumo de energia pelo sistema

e atua como barreira à solidificação.

Assim,

DGTOTAL= DGSUP + DGVOL£ 0

Uma vez que a nucleação se inicia com um certo super-resfriamento, DGVOL é sempre

negativo sendo a força motriz do processo de solidificação. Assumindo-se que o núcleo

inicial seja esférico, tal variação de volume é proporcional ao cubo do raio da esfera.

(DGVOL ~ R3 )

Por outro lado, a criação da interface sólido-líquido exige consumo de energia e o DGSUP é

positivo e proporcional à superfície da esfera, isto é, proporcional ao quadrado do raio

(DGSUP ~R2).

As energias são ilustradas na figura abaixo:

Observa-se que o DGTOTAL é menor que zero para raio do núcleo igual a R1, o que sugere

que o menor núcleo estável é aquele que possui raio R1.

Todavia, caso se forme momentaneamente um núcleo com raio igual a R2, (onde D

GTOTAL > 0), tem-se duas possibilidades:

O núcleo pode perder átomos para o líquido, reduzindo seu tamanho e, conseqüentemente,

aumentando DGTOTAL (seta 1), o que é termodinamicamente impossível (aumentar DG

significa DG>0)

Outra possibilidade é o núcleo receber átomos do líquido, aumentando seu tamanho e,

conseqüentemente, diminuindo DGTOTAL (seta 2), o que é termodinamicamente viável (DG

< 0).

Portanto, qualquer núcleo momentaneamente formado com tamanho entre Rc e R1, embora

tenha gerado um DGTOTAL > 0 (o que o torna instável), tende a crescer (direção da seta 2)

pois isto reduz o DGTOTAL.

Do exposto resulta que existe um tamanho mínimo para que os núcleos possam crescer e

se tornar estáveis. Este tamanho mínimo recebe o nome de raio crítico (Rc).

A este reio crítico corresponde um DGCRIT , que é a barreira energética a ser vencida para

haver solidificação. Esta barreira energética tem origem na necessidade de criar superfície

(DGSUP, que consome energia) e por isso surge a necessidade de haver um certo super-

resfriamento para que o líquido acumule energia volumétrica (DGVOL, força motriz) capaz

de compensar tal barreira energética.

Nucleação heterogênea

A nucleação heterogênea ocorre quando a solidificação ocorre a partir de superfícies pré-

existentes, tais como as paredes do molde ou quando da presença de partículas sólidas no

líquido.

A figura abaixo ilustra que a superfície a ser criada pela nucleação a partir de um substrato

(nucleação heterogênea) é menor, (comparada a da nucleação homogênea) podendo

facilitar o processo, pois exige menor energia de interface (barreira energética).

Observa-se também que o núcleo resultante da presença de um substrato possui menor

volume e, portanto menor número de átomos.

A presença de qualquer tipo substrato não é garantia de facilitar a nucleação, pois depende

da tensão superficial entre núcleo e substrato, isto é, depende da molhabilidade entre ambos

que, por sua vez, depende da composição química do núcleo e do substrato. Esta

molhabilidade pode ser avaliada pelo ângulo.

A análise termodinâmica realizada para a nucleação homogênea pode ser aplicada para a

nucleação heterogênea, porém substituindo-se a variável raio pela variável número de

átomos (N) que constituem um núcleo.

Caso haja molhabilidade entre líquido e substrato, a energia crítica para nucleação torna-se

menor, conforme ilustrado abaixo (quanto maior a molhabilidade, menor é o ângulo q e

menor DGcrit para nucleação heterogênea).

A figura abaixo ilustra as parcelas de energia de superfície, volumétrica e total para o caso

de nucleação com e sem substrato (índices 2 e 1 respectivamente).

A presença de um substrato diminui (de DGS1 para DGS2) a energia de interface a ser

criada (pois parte desta já existe no substrato), reduzindo a energia crítica total (de DGC1

para DGC2) e, portanto o número de átomos necessários para formar o núcleo crítico (de N1

para N2), facilitando a nucleação. (A presença de substrato diminui o número de átomos,

mas não diminui o raio crítico).

Estrutura do Lingote

Desenvolvimento da Macroestrutura

Os metais líquidos são vazados em moldes para obtenção de peças ou lingotes. O lingote

passa posteriormente por processos de deformação plástica visando à produção de chapas,

barras, perfis, etc.

Os grãos que aparecem na estrutura da peça ou do lingote podem ter diferentes tamanhos

dependendo das taxas de extração de calor e gradientes térmicos em cada momento da

solidificação.

Regiões de Granulação

Em geral existem três regiões de grãos que se classificam como:

Zona coquilhada: região de pequenos grãos com orientação cristalina aleatória, situada na

parede do molde. Próximo à parede existe maior taxa de extração de calor e, portanto

elevado super-resfriamento, que favorece a formação destes grãos.

Os grãos da zona coquilhada tendem a crescer na direção oposta a da extração de calor.

Porém algumas direções cristalinas apresentam maior velocidade de crescimento que

outras.

Zona Colunar: região de grãos alongados, orientados na direção de extração de calor. Os

grãos da zona coquilhada que possuem as direções cristalinas de maiores velocidades de

crescimento alinhadas com a direção de extração de calor, apresentam aceleração de

crescimento. Esta aceleração gera grãos alongados que compõem a zona colunar, situada

na posição intermediária entre a parede e o centro do molde.

Zona Equiaxial: região de pequenos grãos formados no centro do molde como resultado da

nucleação de cristais ou da migração de fragmentos de grãos colunares (arrastados para o

centro por correntes de convecção no líquido). Nesta região os grãos tendem a ser

pequenos, equiaxiais e de orientação cristalina aleatória.

Defeitos da Solidificação

Denomina-se defeito da solidificação toda a heterogeneidade surgida durante o

esfriamento de um material fundido. A heterogeneidade refere-se à estrutura interna do

material.

As heterogeneidades podem ser:

De natureza física (poros) De natureza química (segregações)

Discorreremos sobre cada uma dos defeitos, dividindo-os segundo a organização abaixo:

Porosidades - Heterogeneidades Físicas

A presença de poros pode ser causada por fenômenos diferentes: contração de solidificação

e presença de gases dissolvidos.

Contrações

Durante a transformação do estado líquido para sólido, ocorre um agrupamento

(empacotamento) dos átomos, formando estruturas ordenadas.

Na absoluta maioria dos casos esta transformação é acompanhada por um aumento da

densidade (conforme ilustra a figura abaixo) e, conseqüentemente, por uma contração, tal

como ilustra a tabela abaixo (valores positivos indicam expansão).

Como resultados da contração de solidificação surgem porosidades no material, que podem

ser de dois tipos:

Macroporosidade

O que é: é um defeito de porosidade que se caracteriza por contrações concentradas em um único ponto da peça (que é a última região a se solidificar), resultando em um vazio grande e com superfície interna rugosa (formada pelas dendritas). Causas: efeito de contração do material na solidificação. Mecanismo de formação: A forma e a localização da macroporosidade depende do tipo de

extração de calor sofrido pelo molde (ver figura abaixo).

Podem ser caracterizados alguns casos típicos:

- Em peças solidificadas unidirecionalmente (p.ex. com a frente de solidificação avançando

de baixo para cima), há redução das dimensões da peça em apenas uma direção. Neste

caso não se forma propriamente uma porosidade (ou cavidade), mas um rebaixo na

superfície da peça (denominado de “rechupe”).

- No caso da extração de calor ocorrer igualmente nas três direções, forma-se uma cavidade

no centro da peça..

- No caso de uma superfície extrair calor mais lentamente que as demais, forma-se um

rechupe na região que se solidificou por último.

Como evitar/reduzir: Uma técnica comum de se controlar a cavidade resultante das

contrações de solidificação consiste no uso de alimentadores (denominados de

“massalotes”), que são reservatórios de metal posicionados próximos da última região a se

solidificar. Tais reservatórios tem a função de fornecer líquido para a frente de solidificação

de modo que o rechupe se desloque para o massalote, resultando em uma peça sem

macroporosidade. Após a solidificação, o massalote é separado (cortado) da peça e

descartado. O material descartado pode ser reciclado em fusões posteriores.

Microporosidade O que é: é um defeito de porosidade que se caracteriza por suas pequenas dimensões e por estar distribuído ao longo da peça. Causas: Formam-se quando as dendritas presentes na frente de solidificação (interface L-S) são de grande tamanho. Mecanismo de formação: Há dificuldade de o metal líquido penetrar entre as dendritas na interface L-S, devido à perda de carga. Com isto não são compensadas as contrações locais, aparecendo porosidades entre os braços das dendritas.

Como evitar/reduzir: aumentar a extração de calor na peça através do uso de resfriadores

na parede do molde, ou usar moldes metálicos.

Observe na figura abaixo os casos de ocorrências de porosidade.

A figura abaixo mostra a formação típica das dendritas em materiais com pequeno intervalo

de solidificação. Observe que não há formação de porosidades.

Para materiais com grande intervalo de solidificação a formação típica das dendritas leva ao

aparecimento de microporosidades, como mostrado abaixo.

Condições para o surgimento de Micro ou Macroporosidades O fator de dependência mais determinante no tipo de porosidade é o intervalo de solidificação. Ver figura Ligas metálicas com pequeno intervalo de solidificação (caso também de metais comercialmente puros) possuem dendritas pequenas na interface L-S e tendem a gerar macroporosidades. Exceção: o alumínio é um caso excepcional, que apesar de apresentar dendritas pequenas, grande contração de solidificação

Ligas metálicas com grande intervalo de solidificação (caso de alguns latões) apresentam

dendritas grandes na interface L-S e tendem a gerar microporosidades.

Gases Dissolvidos O que é: são bolhas de gás aprisionadas dentro da peça Causa: dissolução de gases por metais em estado líquido Mecanismo de formação: Ao se solidificarem, os metais líquidos reduzem as condições de solubilidade do gás, formando bolhas que podem ficar aprisionadas. Ver exemplo do caso do alumínio na figura abaixo. A porosidade neste caso tem uma parede lisa. Casos típicos de ocorrência: Alumínio e aços efervecentes.

Para reduzir a ocorrência deste tipo de porosidade existem várias técnicas:

-Manter baixa a temperatura do metal líquido, minimizando assim a dissolução dos gases no metal -Adicionar materiais que possa combinar-se com o gás e formar massa sólida -Fundir sob condições de vácuo

-Borbulhar gás inerte (argônio, nitrogênio) no metal líquido arrastando os gases dissolvidos para fora da massa de metal.

Segregações – Heterogeneidade Química

Características Gerais

É outro tipo de defeito que pode ocorrer em peças fundidas, também denominado

heterogeneidade química.

O que é: é a distribuição heterogênea de elementos de liga e impurezas dentro da estrutura do material Causa: é provocada pela solidificação fora das condições previstas pelo diagrama de equilíbrio Mecanismo de formação: Como este mecanismo de formação de defeitos é um pouco

mais complexo será descrito com mais detalhes.

Origem da segregação

A solidificação de ligas metálicas ocorre em geral conforme a faixa de temperaturas

mostrada na figura (exceto no caso de ligas eutéticas).

O metal ao ser resfriado atinge a temperatura liquidus. Nesta temperatura surgem os

primeiros núcleos sólidos

Na continuidade surgem mais núcleos e crescem os núcleos existentes

Em condições de equilíbrio (resfriamento lento) , cada partícula sólida na mistura L+S possui

a composição correspondente à linha solidus

Por sua vez o líquido tem a composição ditada pela linha liquidus.

Conseqüências

A presença de segregação traz como conseqüência o fato de que o último líquido a se

solidificar (e que se situa no contorno de grão), tem temperatura de fusão mais baixa que o

resto do material (mais baixa inclusive do que aquela prevista pelo diagrama de equilíbrio).

No caso de um reaquecimento da peça (por exemplo, no tratamento térmico posterior), pode

ocorrer fusão (localizada) da região do contorno de grão, enquanto o centro do grão

permanece sólido. Esta fusão localizada do contorno recebe o nome de liquação e resulta

em intensas distorções dimensionais na peça (grandes empenhamentos) chegando a

inutilizá-las.

A presença de impurezas tende a agravar o fenômeno, na medida em que as mesmas

tendem a serem rejeitadas, durante a solidificação, dos núcleos sólidos para o líquido

remanescente, resultando em concentrações elevadas nos contornos de grão.

Outros tipos de Segregação

Além do zoneamento (que é uma microssegregação), existem outros tipos de

heterogeneidades químicas, tais como:

Macrossegregação (normal e inversa):

A macrossegregação tem a mesma origem da microsegregação, isto é, é causada pela

rejeição de soluto do sólido para o líquido durante a solidificação. A diferença está no fato de

que a macrossegregação ocorre ao longo da peça (e não apenas dentro do grão).

Uma vez que a solidificação ocorre da parede do molde para o centro da peça, é comum

que ocorra aumento da concentração de solutos da periferia para o centro da peça. Este tipo

de macrossegregação é denominada de segregação normal.

Como a macro e a microsegregação tem a mesma origem, as peças fundidas costumam ter

simultaneamente heterogeneidade dos dois tipos.

Em alguns casos, particularmente nas ligas com grande intervalo de solidificação, o líquido

presente entre as dendritas é bombeado para trás da frente de solidificação. Portanto a

concentração de soluto diminui da periferia para o centro da peça e este tipo de segregação

é denominado segregação inversa. Aqui há casos onde o líquido (rico em impurezas) chega

a sair pelas paredes da peça (a peça “transpira”), sendo tal fenômeno denominado

exsudação.

Segregação gravimétrica:

É outro tipo de segregação, que tende a ocorrer quando a composição química da liga é tal

que, durante a solidificação formam-se fases sólidas com densidades muito diferentes.

Durante a solidificação em ferros fundidos nodulares, forma-se primeiro a grafita (baixa

densidade) no metal líquido (maior densidade). Portanto a grafita tende a boiar (fenômeno

denominado de flotação). As grafitas flotantes podem movimentar-se e alinharem-se na

peça, criando uma região de concentração.

Fundição Contínua

Introdução – Fundamentos

O processo de fundição de ferro evoluiu ao longo do tempo, acompanhando as

necessidades do desenvolvimento industrial e da vida moderna. Fatores como velocidade de

consumo, sofisticação de maquinário com exigência de partes mais precisas, demandaram

novas tecnologias para a fabricação de peças de ferro fundido.

A proposta de um sistema contínuo de fundição, desenvolvido na Europa após a segunda

guerra, respondeu a muitas destas demandas, possibilitando essencialmente uma produção

rápida e de qualidade. Neste processo, atualmente muito difundido nos países

desenvolvidos, é possível obter perfis e tubos de vários formatos, com propriedades

uniformes e sem os defeitos inerentes à fundição convencional (areia).

No Brasil o processo foi introduzido em 1975 pela Indústria de Fundição Tupy

(www.tupy.com.br). O material apresentado neste módulo é baseado na experiência de

fabricação e produtos desta empresa.

Perfis produzidos por fundição contínua

O que é: O processo de fundição contínua consiste em fundir e conformar o produto final

numa única operação, eliminando tempos intermediários de esfriamento em moldes,

garantindo controle e constância de propriedades físicas e geométricas de cada produto.

Etapas do processo: Após a combinação criteriosa de matérias primas e respectiva fusão

em forno apropriado, o metal líquido é transferido para o trem de conformação contínua.

Passa por uma coquilha de conformação, definindo a seção transversal do perfil. Segue-se o

resfriamento, corte e quebra.

Veja abaixo a ilustração do funcionamento do trem de fundição contínua.

Vantagens

O produto da fundição contínua oferece três vantagens fundamentais, que são: menos

sobremetal a remover (semi-acabado mais próximo da dimensão final - ver exemplos na

figura abaixo), melhor usinabilidade e boas propriedades mecânicas e metalúrgicas,

conforme descrito abaixo:

Menos Sobremetal para Usinar

Como as barras produzidas são mais próximas do formato final desejado, os custos de

usinagem ficam reduzidos.

É possível produzir perfis de vários formatos geométricos. Além disto, como não existem

ângulos de saída, inclusões e defeitos superficiais, o sobremetal a ser removido por

usinagem é bastante reduzido.

Melhor usinabilidade

As características que garantem uma boa usinabilidade podem ser relacionadas a:

uniformidade da microestrutura,

ausência de inclusões abrasivas ( não há grãos de areia),

ausência de camada descarbonetada, e

produção em ferros fundidos cinzentos e nodulares de alta qualidade

Observe-se ainda que a presença de grafita na estrutura favorece a quebra de cavaco e

atua como lubrificante. Todos os fatores citados permitem maiores velocidades de corte e

menor desgaste de ferramentas.

Peças resultantes sem porosidade

Este defeito de fundição, causado por liberação de gases, é praticamente eliminado pois

todos os fatores relacionados com o vazamento em molde não existem. O molde usado

neste processo é de grafite, que não libera gases em alta temperatura. A única possível

fonte de formação de gases são os gases dissolvidos no metal líquido.

Ausência de Rechupes

Os rechupes, normalmente formados em peças fundidas em moldes de areia são evitados

na fundição continua, pois o molde é rígido, isto é, não se expande durante a solidificação,

permitindo uma alimentação adequada da peça. Além disto, as barras produzidas tem

geometria bem definida, o que possibilita um controle eficiente do processo de solidificação.

Menor densidade em relação ao aço

O produto da fundição continua possui densidade 10% menor do que o aço.

A grafita presente no ferro fundido é responsável por esta diferença.

Densidade FºFº em fundição continua = 7,20 g/cm3

Densidade do aço = 7,86 g/cm3.

Estrutura mais refinada

O uso de molde de grafite refrigerado resulta numa estrutura mais refinada em relação à

fundição convencional em areia, consideradas peças de mesma espessura. O produto

resultante tem, portanto melhores propriedades mecânicas.

Tratamentos pós-fundição

Os perfis e barras produzidos pela fundição contínua são passíveis de tratamentos térmicos

e superficiais para obtenção de características especiais.

Ligas de alta resistência

Dentre os produtos obtidos no estado bruto de fundição, o ferro fundido nodular perlitico de

classe FE70002 possui no mínimo 700 Mpa de tensão limite de resistência.

Todavia, mediante tratamento térmico é possível obter um produto ainda mais resistente,

com tensão limite de resistência entre 850 e 1600 Mpa com valores de alongamento de até

6%. Este produto, resultante do tratamento térmico de austempera feito em um ferro fundido

nodular, é conhecido mundialmente como ADI (austempered ductile iron) e se caracteriza

por possuir grafita nodular em uma matriz composta de ferrita e austenita de alto carbono.

(Alguns textos denominam incorretamente este material de ferro fundido nodular bainítico,

embora sua matriz não contenha bainita, mas ferrita e austenita).

Ferros fundidos nodulares submetidos a tratamento de austêmpera são indicados para

fabricação de engrenagens, eixos de comando de válvulas, pinos buchas e componentes

que necessitem boa tenacidade combinada com alta resistência ao desgaste.

Existe possibilidade de obter uma vasta gama de combinações de propriedades mecânicas,

já que este material tem alta temperabilidade. Pode ser submetido a têmpera , revenido e

normalização.

Tratamentos superficiais

Os objetivos destes tratamentos é a elevação da resistência ao desgaste (nitretação,

têmpera superficial), ou à fadiga (shot peening) ou à corrosão (cromagem). Os produtos de fundição contínua permitem a cromagem (peças para vidraria), nitretação,

shot peening (engrenagens) e têmpera superficial (eixos de comando de válvulas).

Aplicações

A princípio, qualquer componente produzido em ferro fundido cinzento, nodular e em aço de

algumas classes poderia ser produzido por fundição contínua.

A tabela abaixo exemplifica usos onde a fundição contínua já substitui a fundição

convencional e alguns perfis de aço. A gama de aplicações é vasta e cobre desde arruelas

até corpos de válvulas para circuitos hidráulicos.

Materiais da Fundição Contínua

Na fundição continua produzem-se atualmente dois tipos de material: o ferro fundido

cinzento e o ferro fundido nodular.

A seguir descrevem-se as características de cada um destes materiais, usando-se como

exemplificação as classes produzidas pela Tupy.

Ferro Fundido Cinzento

Característica principal: o ferro fundido cinzento produzido por fundição contínua

apresenta carbono na forma de grafita lamelar como característica dominante de

microestrutura (Classes FC200, FC300 e GMI da Tupy).

Propriedades Mecânicas: são dependentes da estrutura final obtida, isto é, dependem da

matriz metálica e da quantidade e forma da grafita.

Menor resistência mecânica - está associada a maiores quantidades de grafita, veios mais

longos, e maiores quantidades de ferrita.

Maior resistência mecânica - está associada à grafita mais refinada e matriz perlítica, que

confere ao material melhor acabamento superficial e maior dureza.

Medição de propriedades mecânicas

Os corpos de prova para avaliação das propriedades mecânicas de tensão limite de

resistência à tração, dureza e microestrutura são extraídos das barras, conforme as

posições mostradas na figura abaixo.

Para a tensão limite de resistência à tração, o eixo do corpo de prova é alinhado com o eixo

longitudinal da barra.

Para a dureza e a microestrutura o eixo do corpo de prova é contido no plano da seção

transversal (para barras de até 130 mm de diâmetro).

Para barras de menores dimensões (< 130mm de diâmetro) todos os corpos de prova são

extraídos paralelamente ao eixo longitudinal da barra.

Para barras com formatos especiais os corpos de prova podem ser tirados de outras seções.

Classes - Ferro Fundido Cinzento

Ferro Fundido Cinzento Perlítico/Ferrítico (FC 200)

Características específicas: tem excelente usinabilidade, reduzindo desgaste de

ferramentas, aumentando as possíveis velocidades de corte e permitindo estreitas

tolerâncias dimensionais.

Uso: recomendados para aplicações que requeiram moderadas propriedades mecânicas.

Microestrutura: apresenta grafita em forma de veios (lamelas), formaVII, tipo A, tamanhos 3

- 6, de acordo com ASTM A 247.

A matriz é predominantemente perlítica, contendo ferrita na proporção entre 5 e 20%.

A periferia é de grafita tipo D, tamanho 6 - 8, em matriz essencialmente ferrítica, com

conteúdo máximo de 5% de carbonetos dispersos.

Microestrutura típica no núcleo (esq.) e periferia (dir.)

Propriedades Mecânicas: valores típicos tomados de corpos de prova retirados das barras

na seção médio-raio. Os valores da tabela abaixo são orientativos e seguem as exigências

do teste de resistência à tração conforme a norma ABNT NBR 6589.

Nota: as faixas de conteúdo de carbono são especificadas para cada grupo de bitolas, de forma a

controlar o tipo e o tamanho da grafita. A variação dentro de uma faixa é de aproximadamente

0,20%.

Ferro Fundido Cinzento Perlítico (FC 300)

Características Específicas: a estrutura totalmente perlítica proporciona elevadas

propriedades mecânicas e bom acabamento superficial. Outra característica importante é a

estanqueidade, que aliada ao bom desempenho mecânico torna o material adequado para

uso sob condições de alta pressão hidráulica.

Uso: Para componentes hidráulicos em altas pressões de trabalho como: manifolds, corpos

de válvulas, cabeçotes, tampas e êmbolos.

Microestrutura: é constituída de grafita em forma de veios (lamelas), formaVII, tipo A,

tamanhos 3 - 6, de acordo com ASTM A 247.

A matriz é predominantemente perlítica, podendo conter ferrita na proporção de até 10%.

A periferia é de grafita tipo D, tamanho 6 - 8, em matriz ferrítica/perlítica, com conteúdo

máximo de 5% de carbonetos dispersos.

Microestrutura típica no núcleo (esq.) e periferia (dir.)

Propriedades Mecânicas: valores típicos tomados de corpos de prova retirados das barras

na seção médio-raio. Os valores da tabela abaixo são orientativos e seguem as exigências

do teste de resistência à tração conforme a norma ABNT NBR 6589.

Nota: as faixas de conteúdo de carbono são especificadas para cada grupo de bitolas, de

forma a controlar o tipo e o tamanho da grafita. A variação dentro de uma faixa é de

aproximadamente 0,20%.

Ferro Fundido Cinzento com Grafita Refinada (GMI) Característica Específicas: é um ferro fundido com grafita essencialmente do tipo D.

Possui grafita extremamente refinada que lhe confere excelente acabamento superficial.

Destaca-se a alta usinabilidade e boa condutividade térmica. Exposto a consecutivos ciclos

térmicos de aquecimento/resfriamento, apresenta boa estabilidade dimensional devido ao

pequeno tamanho da grafita e da matriz essencialmente ferrítica.

Uso: Moldes e acessórios para a indústria vidreira. Êmbolos para pistão de freio.

Microestrutura: é constituída de grafita refinada forma VII, tipo D (80% mínimo), tamanhos

6 - 8, de acordo com ASTM A 247.

A matriz é predominantemente ferrítica, contendo perlita na proporção de aproximadamente

15%, com conteúdo máximo de 5% de carbonetos dispersos.

Propriedades Mecânicas: valores típicos tomados de corpos de prova retirados das barras

na seção médio-raio.

Tensão Limite de Resistência à Tração (mínimo) = 180 MPa

Dureza = 131 - 207 HB

Propriedades Físicas:

Condutividade Térmica,100 a 400 oC = 41 a 44(W/m.K)

Coef. de Dilatação, 20 a 400o C = 10 a 12,5 (10 -6/k)

Composição Química: a tabela abaixo mostra a composição.

Nota 1: as faixas de conteúdo de carbono são especificadas para cada grupo de bitolas, de forma a

controlar o tipo e o tamanho da grafita. A variação dentro de uma faixa é de aproximadamente 0,20%

Nota 2: o Titânio é adicionado com o objetivo de favorecer a formação da grafita tipo D.

FERRO FUNDIDO NODULAR

Característica Principal: o ferro fundido nodular produzido por fundição contínua apresenta

carbono na forma de grafita nodular como característica dominante de microestrutura

(Classes FE 40015, FE 45012, FE 55006 e FE 70002 da Tupy). A grafita nodular é obtida

pela adição de elementos químicos e condições especiais de fabricação, que condicionam

seu crescimento.

Propriedades Mecânicas: são ligadas às proporções de ferrita e/ou perlita da matriz , além

da forma da grafita. A tensão limite de resistência à tração do material bruto situa-se entre

400 e 700 MPa , com valores de alongamento de 2 a 15%.

Classes - Ferro Fundido Nodular

Ferro Fundido Nodular Ferrítico (FE 40015) Característica Específicas: é um ferro fundido com grafita tipos I e II, em matriz totalmente

ferrítica, obtida através de tratamento térmico. Tem excelente usinabilidade, elevada

tenacidade e alta permeabilidade magnética, devido à matriz ferrítica. O material tem

comportamento de resistência (tração e escoamento) similar aos aços SAE 1020 laminados

a quente, na condição bruta de fusão.

Uso: o mesmo indicado para os aços 1020

Microestrutura: é constituída de grafita em forma de nódulos (esferas), formas I e II,

tamanhos 6 - 8, de acordo com ASTM A 247. A matriz é totalmente ferrítica.

Microestrutura típica no núcleo (esq.) e periferia (dir.)

Propriedades Mecânicas: valores típicos tomados de corpos de prova retirados das barras

na seção médio-raio.

Nota 1: as faixas de conteúdo de carbono são especificadas para cada grupo de bitolas, de forma a

controlar o tipo e o tamanho da grafita. A variação dentro de uma faixa é de aproximadamente 0,20%

Nota 2: o Magnésio é adicionado com o objetivo de favorecer a formação da grafita esferoidal.

Ferro Fundido Nodular Ferrítico/Perlítico (FE 45012)

Característica Específicas: é um ferro fundido com grafita tipos I e II, em matriz

ferrítica/perlítica, obtida através de tratamento térmico. Tem excelente usinabilidade, elevada

estanqueidade e bom acabamento superficial. O material tem comportamento de resistência

( tração e escoamento) similar aos aços SAE 1030 laminados a quente, na condição bruta

de fusão.

Microestrutura: é constituída de grafita em forma de nódulos (esferas) , formas I e II,

tamanhos 6 - 8, de acordo com ASTM A 247. A matriz é predominantemente ferrítica,

podendo ter até 25% de perlita e no máximo 5% de carbonetos dispersos.

Microestrutura típica no núcleo (esq.) e periferia (dir.)

Propriedades Mecânicas: valores típicos tomados de corpos de prova retirados das barras

na seção médio-raio.

Nota 1: as faixas de conteúdo de carbono são especificadas para cada grupo de bitolas, de

forma a controlar o tipo e o tamanho da grafita. A variação dentro de uma faixa é de

aproximadamente 0,20%.

Nota 2: o Magnésio é adicionado com o objetivo de favorecer a formação da grafita

esferoidal.

Ferro Fundido Nodular Perlítico/Ferrítico (FE 55006) Característica Específicas: é um ferro fundido com grafita tipos I e II, em matriz

perlítica/ferrítica, obtida através de tratamento térmico. Tem elevadas propriedades

mecânicas, boa temperabilidade e bom acabamento superficial. O material tem

comportamento de resistência ( tração e escoamento) similar aos aços SAE 1040 laminados

a quente, na condição bruta de fusão.

Microestrutura: é constituída de grafita em forma de nódulos (esferas) , formas I e II,

tamanhos 6 - 8, de acordo com ASTM A 247. A matriz é perlítica/ferrítica, com

aproximadamente 50% de perlita e no máximo 5% de carbonetos dispersos.

Microestrutura típica no núcleo (esq.) e periferia (dir.)

Propriedades Mecânicas: valores típicos tomados de corpos de prova retirados das barras

na seção médio-raio.

Nota 1: as faixas de conteúdo de carbono são especificadas para cada grupo de bitolas, de

forma a controlar o tipo e o tamanho da grafita. A variação dentro de uma faixa é de

aproximadamente 0,20%.

Nota 2: o Magnésio é adicionado com o objetivo de favorecer a formação da grafita

esferoidal.

Ferro Fundido Nodular Perlítico (FE70002) Característica Específicas: é um ferro fundido com grafita tipos I e II, em matriz

predominantemente perlítica, obtida através de adição de elementos perlitizantes. A matriz

assim obtida proporciona alta temperabilidade, permitindo os tratamentos de têmpera,

normalização e têmpera superficial. O material tem comportamento de resistência ( tração e

escoamento) similar aos aços SAE 1045 laminados a quente, na condição bruta de fusão.

Microestrutura: é constituída de grafita em forma de nódulos (esferas) , formas I e II,

tamanhos 6 - 8, de acordo com ASTM A 247. A matriz é predominantemente perlítica,

podendo conter aproximadamente 25% de ferrita e no máximo 5% de carbonetos dispersos.

Microestrutura típica no núcleo (esq.) e periferia (dir.)

Propriedades Mecânicas: valores típicos tomados de corpos de prova retirados das barras

na seção médio-raio.

Nota 1: as faixas de conteúdo de carbono são especificadas para cada grupo de bitolas, de

forma a controlar o tipo e o tamanho da grafita. A variação dentro de uma faixa é de

aproximadamente 0,20%.

Nota 2: o Magnésio é adicionado com o objetivo de favorecer a formação da grafita

esferoidal.

Informações Complementares dos Produtos

Normalmente os ferros fundidos cinzentos e nodulares são especificados por sua Tensão

Limite de Resistência à Tração (tensão limite de ruptura) e Dureza. Estas propriedades são

usadas pela facilidade de serem determinadas.

Entretanto, em alguns casos é necessário basear a escolha adequada do material em outras

características. A tabela abaixo lista estas características, relacionando-as com a tensão

limite de resistência à tração, representada pelo símbolo LR

Fontes:

(1) DIN 1691

(2) BCIRA BROADSHEET 1

(3) Engineering Data on Nodular Cast Irons

(4) Ferros Fundidos Cinzentos de Alta Qualidade

(5) Metalurgia dos Ferros Fundidos Cinzentos e Nodulares