fundição por centrifugação

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 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.


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.


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.


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.


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


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


36

Figura 20- Comparação entre temperatura no líquido e na solidificação.


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


Figura 22- Concentração de Co/Koe temperatura na interface líquido/sólido.


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.


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


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.


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.


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.


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 - - -


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.


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


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


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


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.


59

Figura 31 – Exemplo de modelos para fundição.


60

Figura 32 – Exemplo de moldes para fundição.


61



62



63



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.


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.


O dimensionamento de canais é exemplificado na figura 38.

67

Figura 38– Dimensionamento de canais.


As figuras 39 e 40 mostram o dimensionamento dos canais alimentadores e

massalotes, respectivamente.

68

Figura 39– Canais alimentadores.


69

Figura 40– Canais massalotes.


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.


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.


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

82

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

83

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

84

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.

fundição por centrifugação

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