Processo de Fundição de Metais

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Processos Fabricação 
Mecânica I
FUNDIÇÃO
UCL
Marden Valente de Souza
FUNDIÇÃO
Introdução
Mas, afinal, o que é fundição?
É o processo de fabricação de peças metálicas que consiste
essencialmente em encher com metal líquido a cavidade de um
molde com formato e medidas correspondentes aos da peça a ser
fabricada.
- peças com formas praticamente definitivas (formato e
complexidade),
- fabricação de lingotes.
A fundição não se restringe só ao ferro, não. Ele pode ser
empregado com os mais variados tipos de ligas metálicas,
desde que elas apresentem as propriedades adequadas a
esse processo.
Temperatura de fusão é a temperatura em que o metal
passa do estado sólido para o estado líquido.
Fluidez é a capacidade de uma substância de escoar com
maior ou menor facilidade. Por exemplo, a água tem mais
fluidez que o óleo porque escorre com mais facilidade.
Teste de fluidez
HISTORIA 
A Idade de Pedra prolongou-se quase até 7-4 milênios antes de
nossa era. Neste período os objetos eram feitos de pedra.
O conhecimento e contato do homem com o metal aconteceu
ainda no período de transição do Neolítico à Idade do Bronze.
A fundição começou a ser usada pelo homem mais ou menos uns 
3000 A.C. " Fundiu-se primeiro o cobre, depois o bronze, e, mais 
recentemente, o ferro, por causa da dificuldade em alcançar as 
temperaturas necessárias para a realização do processo.
A idade do ferro fundido chegou finalmente em 1340, quando o 
forno de fluxo foi construído em Marche-Les- Dames na Bélgica 
(produção contínua de ferro fundido)
FUNDIÇÃO
HISTORIA
FUNDIÇÃO
HISTORIA
Enxada Egípcia (Bronze)
Orfebreria Precolombina 
(Ouro)
FUNDIÇÃO
PEÇAS FUNDIDAS
FUNDIÇÃO
PEÇAS FUNDIDAS
FUNDIÇÃO
PEÇAS FUNDIDAS
 
FUNDIÇÃO
PEÇAS FUNDIDAS
Vantagens
-As peças fundidas podem apresentar formas externas e internas
desde as mais simples até as bem complicadas, com formatos
impossíveis de serem obtidos por outros processos.
-As peças fundidas podem apresentar dimensões limitadas
somente pelas restrições das instalações onde são produzidas.
-A fundição permite um alto grau de automatização e, com isso, a
produção rápida e em série de grandes quantidades de peças.
-As peças fundidas podem ser produzidas dentro de padrões
variados de acabamento (mais liso ou mais áspero) e tolerância
dimensional (entre ± 0,2 mm e ± 6 mm) em função do processo
de fundição usado.
-A peça fundida possibilita grande economia de peso, porque
permite a obtenção de paredes com espessuras quase ilimitadas.
Fenômenos que Ocorrem Durante a 
Solidificação
Nucleação e Crescimento
Um metal no estado sólido possui átomos que vibram com uma
certa freqüência em torno de posições geométricas definidas
(determinadas pelo tipo de arranjo cristalino específico do metal em
questão).
No estado líquido, tais átomos, além de vibrarem, não possuem
posição definida, pois estão em movimento dentro do líquido.
Por se movimentarem, os átomos no estado líquido entram em
colisão, envolvendo milhares de átomos simultaneamente.
Pode-se imaginar que nesta colisão, surge um agrupamento
momentâneo de átomos, formando um núcleo, com um dado
arranjo atômico (CCC, CFC, HC, etc).
O núcleo é um sólido que pode crescer ou se dissolver,
dependendo da temperatura do sistema.
O crescimento do sólido se dá por migração de átomos do liquido
para o sólido, acoplando os átomos nas posições de equilíbrio do
reticulado que é específico do metal em questão, conforme indicado
na figura abaixo:
No universo a energia é constante e a variação da entropia é igual
ou maior que zero (tendência à desordem).
A energia de Gibbs é, portanto, um parâmetro indicador da
estabilidade em sistemas sob temperatura e pressão constantes.
G = H -TS,
onde T é a temperatura, H é a entalpia e S a entropia da substância em questão
Entalpia: medida da quantidade de calor existente na substância e a
mesma é “estocada” na forma de amplitude de vibração dos átomos
(medida da energia de ligação entre os átomos).
Entropia: medida da desorganização interna da substância, isto é,
uma medida de como os átomos se arranjam.
Para o caso de transformação de fases numa substância, trabalha-se 
com a variação da energia livre DG, na forma:
DG= Gsólido – Glíquido ou DG = DH-TDS
A variação desta energia (DG) é um valor que indica o sentido
espontâneo de uma reação (quando o sistema se encontra sob
temperatura e pressão constantes), de acordo com:
· DG > 0: reação impossível (não ocorre);
· DG = 0: reação em equilíbrio;
· DG < 0: reação pode ocorrer (sentido espontâneo).
Termodinâmica da Nucleação 
A nucleação é um fenômeno que pode ocorrer com a formação de
núcleos diretamente a partir do líquido ou com a formação de
núcleos sobre superfícies pré-existentes.
Nucleação Homogênea: O início da solidificação ocorre com a
formação de núcleos sólidos estáveis que posteriormente crescem.
Para que haja formação destes núcleos, é preciso que DG < 0.
Nucleação heterogênea: A nucleação heterogênea ocorre quando a
solidificação ocorre a partir de superfícies pré-existentes, tais como
as paredes do molde ou quando da presença de partículas sólidas
no líquido.
A presença de qualquer tipo substrato não é garantia de facilitar a
nucleação, pois depende da tensão superficial entre núcleo e
substrato, isto é, depende da molhabilidade entre ambos que, por
sua vez, depende da composição química do núcleo e do substrato.
Os Fenômenos que ocorrem durante a solidificação são:
• Cristalização
• Contração de volume
• Concentração de impurezas
• Desprendimento de gases.
Cristalização
Consiste no aparecimento das primeiras células cristalinas unitárias.
Estas servem como “núcleos” para o posterior desenvolvimento ou
“crescimento” dos cristais, dando finalmente origem aos grãos
definitivos e à “estrutura granular” típica dos metais.
Esse crescimento dos cristais não se dá de maneira uniforme, ou seja,
a velocidade de crescimento não é a mesma em todas as direções;
além disso, no interior dos moldes, as paredes destes limitam o
crescimento.
As dendritas crescem até se encontrarem → seu crescimento é, então,
impedido pelo encontro das dendritas vizinhas → originam-se os grãos
Cristalização
Cristalização
A Regiões de Granulação é classificada em três regiões de grãos
que se classificam como:
Zona coquilhada
Zona Colunar
Zona Equiaxial
Regiões de Granulação
Zona coquilhada:
Região de pequenos grãos com orientação cristalina aleatória,
situada na parede do molde.
Próximo à parede existe maior taxa de extração de calor e portanto
elevado super-resfriamento, que favorece a formação destes grãos.
Os grãos da zona coquilhada tendem a crescer na direção oposta a
da extração de calor.
Porém algumas direções cristalinas apresentam maior velocidade de
crescimento que outras.
Regiões de Granulação
Zona Colunar:
Região de grãos alongados, orientados na direção de extração de
calor.
Os grãos da zona coquilhada que possuem as direções cristalinas de
maiores velocidades de crescimento alinhadas com a direção de
extração de calor, apresentam aceleração de crescimento.
Esta aceleração gera grãos alongados que compõem a zona colunar,
situada na posição intermediária entre a parede e o centro do molde.
Regiões de Granulação
Zona Equiaxial:
Região de pequenos grãos formados no centro do molde como
resultado da nucleação de cristais ou da migração de fragmentos de
grãos colunares (arrastados para o centro por correntes de
convecção no líquido).
Nesta região os grãos tendem a ser pequenos, equiaxiais e de
orientação cristalina aleatória
Regiões de Granulação
Regiões de Granulação
Regiões de Granulação
Regiões de Granulação
Contração de volume
Os metais, ao solidificarem, sofrem uma contração. Na realidade, do
estado líquido ao sólido, três contrações são verificadas, são elas:
Contração Líquida - correspondente ao abaixamento da temperatura
até o início da solidificação;Contração de Solidificação - correspondente à variação de volume que
ocorre durante a mudança do estado líquido para o sólido;
Contração Sólida - correspondente à variação de volume que ocorre já
no estado sólido, desde a temperatura de fim de solidificação até a
temperatura ambiente.
Os vazios citados podem eventualmente ficar localizados na
parte interna das peças, próximos da superfície; porém, invisíveis
externamente.
Além dessa conseqüência a contração verificada na
solidificação pode ocasionar o aparecimento de trincas a quente
(Figura a seguir) ou o aparecimento de tensões residuais.
As tensões residuais podem ser controladas por um adequado
projeto da peça e podem ser eliminadas pelo tratamento térmico de
"alívio de tensões".
Os vazios ou rechupes que constituem a conseqüência direta da
contração podem também ser controlados ou eliminados, mediante
recursos adequados, seja no caso de lingoteiras, ou para peças
fundidas.
No caso da fundição de um lingote, o artifício adotado para
controlar o vazio é colocar sobre o topo da lingoteira - que é feita de
material metálico - uma peça postiça de material refratário,
denominada "cabeça quente"ou "massalote";
No caso de peças fundidas, utiliza-se um "alimentador".
O molde é projetado de tal maneira que a entrada do metal
líquido, através de canais, é feita na seção mais grossa que
alimenta as menos espessas; ao mesmo tempo, o "alimentador"
ficará convenientemente suprido de excesso de metal líquido, nele
se concentrando o vazio.
Concentração de impurezas
Algumas ligas metálicas contêm impurezas normais, que se
comportam de modo diferente, conforme a liga esteja no estado
líquido ou sólido.
O caso mais geral é o das ligas ferro-carbono que contêm, como
impurezas normais:
• Fósforo
• Enxofre
• Manganês
• Silício
• Próprio Carbono.
Quando essas ligas estão no estado liquido, as impurezas
estão totalmente dissolvidas no líquido, formando um todo
homogêneo. Ao solidificar, entretanto, algumas das impurezas são
menos solúveis no estado sólido (ex: S)
À mediria que a liga solidifica, esses elementos vão
acompanhando o metal liquido remanescente, indo acumular-se na
última parte sólida fornada.
Nessas regiões, a concentração de impurezas constitui o que se
chama segregação.
Segregação
Desprendimento de gases 
Esse fenômeno ocorre, como no caso anterior, principalmente nas
ligas ferro-carbono.
O oxigênio dissolvido no ferro, por exemplo, tende a combinar-se
com o carbono dessas ligas, formando os gases CO e CO2 que
escapam facilmente à atmosfera, enquanto a liga estiver no
estado liquido.
Entretanto, à medida que a viscosidade da massa liquida diminui,
devido à queda de temperatura, fica mais difícil a fuga desses
gases, os quais acabam ficando retidos nas proximidades da
superfície das peças ou lingotes, na forma de bolhas.
O oxigênio reage de preferência com os elementos Si, Mn e
Al, formando óxidos sólidos - SiO2, MnO e AI2O3 - impedindo que o
oxigênio reaja com o carbono formando os gases CO e CO2,
responsáveis pela produção das bolhas.
Outros gases que podem se libertar na solidificação dos aços
são o hidrogênio e o nitrogênio, que comumente também se
encontram dissolvidos no metal líquido.
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Processos Fabricação 
Mecânica I
FUNDIÇÃO
UCL
Marden Valente de Souza
PROCESSOS DE FUNDIÇÃO
Permitem obter peças praticamente de qualquer forma, com poucas
limitações em dimensões, forma e complexidade, além de conseguir
propriedades mecânicas adequadas às mais variadas condições de
serviço.
A fundição abrange uma série de processos, cada um com suas próprias
características. Geralmente, qualquer que seja o processo adotado, devem
ser consideradas as seguintes etapas na fabricação de peças fundidas:
•- desenho da peça;
•- projeto do modelo;
•- confecção do modelo (modelagem);
•- confecção do molde (moldagem);
•- fusão do metal;
•- vazamento do molde;
•- limpeza e rebarbação;
•- controle de qualidade.
PRINCIPAIS PROCESSOS DE FUNDIÇÃO
Os vários processos de fundição diferem, principalmente na maneira de formar o
molde e por aspetos tais como: grau de automação, produtividade, precisão
dimensional, acabamento superficial. Os principais processos são:
•Fundição em moldes de areia;
•Fundição em casca (Shell Molding);
•Fundição por cera perdida ;
•Fundição em coquilha;
•Fundição sob pressão;
•Fundição centrífuga;
•Fundição contínua.
FUNDIÇÃO EM AREIA
A seqüência de etapas a seguir normalmente é seguida no processo
de fundição por gravidade em areia, que é o mais utilizado.
Como exemplo desta aplicação temos o bloco dos motores de
automóveis e caminhões.
Este processo apresenta algumas variações.
• fundição com moldagem em areia aglomerada com argila;
• fundição com moldagem em areia aglomerada com resinas.
Confecção do modelo
Essa etapa consiste em construir um modelo com o formato
aproximado da peça a ser fundida feita de madeira metal ou outro
material adequado (plástico, resina epóxi, cera, gesso, etc) ao redor
do qual será compactado o material de moldagem, dando forma à
cavidade que receberá o material fundido.
Deve se levar em conta as seguintes consideração durante a
confecção dos modelos:
- Aumento nas dimensões para compensar a contração do metal e
sobremetal nas superfícies que serão usinadas;
- Inclinação nas paredes verticais (ângulo de saída) para facilitar a
retirada de dentro do molde, sem arraste de areia;
- Quando a peça contiver furos, criar as marcações de macho, que
deixarão buracos nos moldes para fixação dos machos.
Confecção do molde
O molde é o dispositivo no qual o metal fundido é colocado para
que se obtenha a peça desejada. Ele é feito de material refratário
composto de areia e aglomerante. Esse material é moldado sobre
o modelo que, após retirado, deixa uma cavidade com o formato
da peça a ser fundida.
Moldagem Manual
Projeção de areia
Confecção dos machos
Macho é um dispositivo, feito também de areia, que tem a finalidade
de formar os vazios, furos e reentrâncias da peça. Eles são
colocados nos moldes antes que eles sejam fechados para receber o
metal líquido.
Simulação do processo de resfriamento das peças no molde
Fusão
Etapa em que acontece a fusão do metal.
Vazamento
O vazamento é o enchimento do molde com metal líquido.
Desmoldagem
Após determinado período de tempo em que a peça se solidifica
dentro do molde, e que depende do tipo de peça, do tipo de molde e
do metal (ou liga metálica), ela é retirada do molde (desmoldagem)
manualmente ou por processos mecânicos.
Rebarbação
A rebarbação é a retirada dos canais de alimentação, massalotesi
e rebarbas que se formam durante a fundição. Ela é realizada
quando a peça atinge temperaturas próximas às do ambiente.
Limpeza
A limpeza é necessária porque a peça apresenta uma série
de incrustações da areia usada na confecção do molde.
Geralmente ela é feita por meio de jatos abrasivos.
ESQUEMA DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO EM MOLDES 
DE AREIA
Se necessário
Características das peças fabricadas
As peças fundidas apresentam características que estão estreitamente ligadas ao
processo de fabricação.
• acréscimo de sobremetal, ou seja, a camada extra de metal que será desbastada
por processo de usinagem.
Características das peças fabricadas
• furos pequenos e detalhes complexos não são feitos na peça.
• arredondamento de cantos e engrossamento das paredes da peça
✓ Superaquecimento e sinterização da areia que forma cantos
internos, podendo resultar na peça um rechupe devido a concentração
de calor num determinado lugar;
✓ Formação de trincas (tensões) devido aos cantos internos vivos;
✓ Atenuar aparecimento de rebarbas, para os raios externos.
✓ Evitas cantos duros e quebradiços devido ao super resfriamento
prejudicando a usinagem.
RI
RE
S
I
- Raios externos como sendo entre 1 a
3 mm,
- Raios internos utilizam-se 1/3 da
média das medidas das espessuras que
formamo ângulo.
S
I
2
0
30
R
S
I
2
0
30
R= A + b x 1 R
2 3
20 + 30 x 1 = 25 x 1 = 8, 3
2 3 3 
R = 8
Ângulo de Saída
Inclinação colocada nas paredes perpendiculares ao plano de
divisão a fim de facilitar a extração do modelo.
Não fazendo uma perfeita adaptação da forma deste modelo,
haverá quebra de bolos de areia durante a extração.
Alguns defeitos comuns das peças fundidas
• inclusão da areia do molde nas paredes internas ou externas da
peça. Isso causa problemas de usinagem: os grãos de areia são
abrasivos e, por isso, estragam a ferramenta. Além disso, causam
defeitos na superfície da peça usinada.
• rechupe, ou seja, falta de material devido ao processo de
solidificação, causado por projeto de massalote malfeito.
• porosidade, ou seja, a existência de "buraquinhos" dentro de
peça. Eles se originam quando os gases que existem dentro do
metal líquido não são eliminados durante o processo de vazamento
e solidificação. Isso causa fragilidade e defeitos superficiais na peça
usinada.
Plano de Separação
A finalidade do plano de separação é permitir que o modelo possa ser
removido do molde sem que haja anomalia.
O plano de separação deve de preferência estar situado sobre o eixo
de simetria que divide a peça.
Ocasionalmente é preciso mais do que um plano, mas deve-se evitar tal
situação sempre que for possível.
A linha que indica a posição do plano de separação é chamada de linha
de separação.
Esta linha é indicada no esboço feito pelo modelador.
A correta definição deste plano facilitará o processo automatização do
processo.
Plano de Separação
Um plano de divisão, em alguns casos, pode ser feito das mais 
diversas maneiras, porém, para sua execução o projetista deve ter sempre 
em mente:
Praticidade, Funcionalidade e Economia.
Qual dos planos de separação 
é o melhor para a produção 
desta peça por fundição? 
Explique.
Quais as alterações 
necessárias para o modelo?
Espessura das paredes nos fundido
À medida que o metal fundido vai sendo vazado, o mesmo se
escoa nas várias direções, indicadas pelo formato do molde e
gradualmente, vai se resfriando.
Caso as seções sejam muito finas, o metal pode solidificar sem
que se consiga o total preenchimento do molde, ou então, devido à
baixa temperatura em determinados pontos, não haver um
caldeamento adequado entre as duas partes.
Isto precipita a formação de um ponto de baixa resistência
chamado de "gota fria".
A espessura mínima da parede varia com o tipo de material e
com a prática seguida pela empresa. Por exemplo, uma dada
companhia recomenda as seguintes espessuras mínimas em mm:
• ferro fundido = 5;
• latão e bronze = 3;
• alumínio de 4 a 6.
A interseção entre uma parede fina e outra mais robusta pode
provocar o aparecimento de trincas, devido, ao resfriamento desigual
das duas partes.
Por esta razão, é sempre interessante evitar uma variação muito
abrupta na seção reta das paredes das peças.
Quando tal variação não pode ser evitada, o componente mais
fino deve ser dotado de conicidade para reduzir as tensões devidas à
retração.
Recomenda-se que a seção mais espessa não seja maior do
que o dobro da espessura da seção mais fina.
Sistemas de Distribuição
Os moldes são preenchidos com metal fundido por meio de tubos
cortados na areia do molde que são chamados canais. O projeto do
sistema de distribuição às vezes é crítico e deve, então, estar
baseado nas teorias da mecânica dos fluidos.
Um sistema de distribuição deve ser projetado de forma que as
seguinte regras sejam asseguradas:
- Um fluxo contínuo, uniforme de um metal fundido na cavidade do
molde, sem qualquer turbulência, deve ser provido.
- Um reservatório de metal fundido que alimenta a peça fundida
para compensar a contração durante a solidificação deve ser
mantido (alimentador).
- O fluxo de metal fundido deve estar sempre em contato com as
paredes do canal de descida.
POTE DE ESCÓRIA
Para a peça abaixo que será produzida pelo processo de
fundição em molde de areia, considerar e1, e2 e e3 as
espessuras das paredes nas respectivas seções e R1 o raio
entra a seção 2 e 3. Para uma espessura da seção 1 de 15mm
e da seção 3 de 18mm, encontre a espessura máxima possível
para a seção 2 e o raio R1.
Para a peça abaixo que será produzida pelo processo de
fundição em molde de areia, considerar e1, e2 e e3 as
espessuras das paredes nas respectivas seções e R1 o raio
entra a seção 2 e 3. Para uma espessura da seção 1 de 15mm
e da seção 3 de 18mm, encontre a espessura máxima possível
para a seção 2 e o raio R1.
Resposta:
Valor de e2: 30 mm
Valor de R1: 8 mm
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	Slide 54: PROCESSOS DE FUNDIÇÃO
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