PF Fundição01 02

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Processos de Fabricação Fundição -SÁVIO - UNITAU 
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Processos de 
Fabricação 
 Fundição
 
 
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Processos de Fabricação: Um dado material, sem forma ou de geometria 
simples, é transformando em um componente útil através de um processo 
de fabricação. Esta peça ou produto, na maioria das vezes, apresenta 
geometria complexa em termos de forma, tamanho, precisão, tolerâncias 
dimensionais e superficiais e propriedades bem definidas. 
A fabricação de peças e montagem de componentes metálicos, podem 
ser classificada, basicamente, em cinco áreas. 
1. Produtos metálicos onde as formas iniciais são obtidas por processos 
que envolvem altas temperaturas. Neste grupo destacamos os 
produtos obtidos por fundição, lingotamento, coquilhamento e 
metalurgia do pó. Esses processos são caracterizados por não terem 
uma forma inicial definida, essa forma será alcançadas 
posteriormente 
2. Processos de conformação dos metais: Neste grupo encontram-se os 
produtos obtidos por laminação, extrusão, forjamento a frio e a 
quente, estampagem. Esses processos são caracterizados por 
produzirem produtos através da conformação por deformação 
plástica. 
3. Processos por usinagem dos metais, tais como operações de corte 
por serra, torneamento, fresamento, mandrilamento, brochamento, 
furação. Esses processos são caracterizados por produzirem peças a 
partir da remoção de cavacos. 
4. Processos de tratamentos dos metais, tais como tratamentos térmicos, 
anodização e endurecimento superficial. Esses processos são 
caracterizados por promoverem alterações superficiais de aparência e 
em suas propriedades mecânicas, sem, contudo alterar sua forma. 
5. Processos de união, que podem ser físicas tais como soldagem e 
fusão, ou mecânica como rebitamento ou ainda por interferência 
como exemplo citamos um sistema eixo-cubo por contração e 
montagem mecânica. 
 
Dentro dos processos de fabricação existem algumas características 
principais que serão de extrema importância na definição de qual 
processo será utilizado. Algumas dessas características são: 
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geometria, tolerâncias, razão de produção e fatores ambientais e 
humanos. 
 
Geometria – Dentro de cada processo de fabricação é possível 
produzir peças de determinas geometrias, ou seja, famílias 
geometricamente definidas. Dentro dessas famílias, haverá peças que 
somente poderão ser produzidas com enorme custo e esforço. Neste 
caso podemos citar os processos de forjamento os quais permitem a 
fabricação de peças que podem ser extraídas facilmente do conjunto 
de matrizes, superior e inferior, as quais promoverão deformações 
nos sentido longitudinal do material de partida. Entretanto, se 
utilizarmos ferramentas especiais, poder-se-á produzir peças com 
detalhes perpendiculares à direção de forjamento, exemplo 
forjamento a frio de cruzetas, peças de extrema complexidade 
 
Tolerâncias – Nenhuma dimensão pode ser obtida conforme 
especificado em projeto devido a características de cada processo. 
Essas tolerâncias são dimensionais e de forma, bem como 
superficiais. Um exemplo simples pode ser citado, é o caso de peças 
cuja geometria permite sua obtenção, tanto pelo processo de 
forjamento a quente como a frio, esses dois processos apresentam 
características extremamente diferentes quanto às tolerâncias 
dimensionais e de forma e superficiais quando comparadas. Essa 
característica determinará a capacidade da peça em termos e 
funcionalidade e intercambiabilidade no conjunto mecânico. 
 
Razão de Produção – Essa característica do processo é, 
provavelmente, a mais significativa porque ela indica os aspectos 
econômicos e produtividade que podem ser atingidas. Em países 
desenvolvidos, as indústrias de produção representam cerca de 30 a 
40 % do produto interno bruto. Sendo assim, a produtividade destas 
indústrias, isto é, a produção de componentes, conjuntos montados e 
produtos por unidade de tempo, é o fator mais importante a 
influenciar o padrão de vida do país, assim como sua capacidade de 
competir no mercado internacional de bens de produção. Essa razão 
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de produção pode ser aumenta com investimentos e novos processos 
e em tecnologia através de equipamentos mais sofisticados. 
 
Contudo, o componente mais importante no aumento dessa razão de 
produção e, consequentemente, na produtividade de indústrias de 
produção, reside no ser humano e nos recursos gerenciais, já que 
decisões acertadas em investimentos, isto é, quando, quanto e em que 
investir, são tomadas por pessoas bem treinadas e motivadas. 
 Desta forma, o presente e o futuro da produtividade na 
fabricação dentro de uma indústria ou nação dependem, não somente 
do nível de investimentos financeiros em novas tecnologias aplicadas 
ao processo produtivo, mas também do nível de treinamento e 
disposição dos profissionais envolvidos no processo produtivo da 
empresa. 
 
Fatores Ambientais e Humanos – Todo e qualquer processo de 
produção deverá ser examinado e avaliado objetivando-se: 
 
1. Efeitos ambientais, Isto é, poluição do ar, água e sonora; 
2. Interface com os recursos humanos, ou seja, segurança, efeitos 
fisiológicos e psicológicos; 
3. Uso de energia e recursos minerais. 
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 Característica da Conformação no Processo de Fabricação: 
 
 
 
 
 
Definição de Conformação: 
 Entende-se como conformação dos metais a modificação de um 
corpo metálico para outra forma definida. 
 Podem ser divididos em dois grupos: 
- Mecânicos – nos quais as modificações de forma são provocadas 
pela aplicação de tensões externas. 
- Metalúrgicos – nos quais as modificações de forma estão 
relacionadas com altas temperaturas. 
 
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Conformabilidade: 
Modificações de Forma por Processos Mecânicos: 
 
 
 
Definição de Fundição 
Fundição é o processo de fabricação de peças metálicas no qual um 
metal no estado físico líquido preenche a cavidade de um monde 
com um formato e medidas exatas da peça que se deseja produzir. 
São infinitas as possibilidades de fabricação de peças por intermédio 
deste processo. 
 
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Abaixo, exemplos dos processos de fundição: 
 
 
 
Através deste processo podemos obter componentes utilizados na indústria 
aeroespacial, automobilísticas, ferroviárias e de equipamento de geração de 
energia: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Solidificação de metais e formação da estrutura interna de grãos: 
Os metais são elementos químicos presentes na Tabela Periódica. Eles 
apresentam propriedades únicas que se diferem das outras substâncias: 
ametais, gases, e os demais. 
 
Podemos citar algumas dessas propriedades tais como; 
 Alta condutibilidade elétrica 
 Alta condutibilidade térmica 
 Alta maleabilidade (capacidade de transformar em Lâminas) 
 Brilho Metálico 
 Pontos de fusão e ebulição elevados 
 Ductibilidade (capacidade em se transformar em fios) 
 Resistência à tração e choques mecânicos. 
Ligação metálica: Se baseia no fato de que os metais são elementos 
altamente eletropositivos, tendo, portanto, a tendência de formar 
cátions. Assim, alguns átomos dos metais perdem os seuselétrons 
mais externos (da camada de valência) formando cátions. Os 
elétrons liberados são chamados de semi livres ou de elétrons livres. 
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Esses elétrons não abandonam o cristal, mas possuem mobilidade, 
transitam livremente, formando uma espécie de “nuvem eletrônica” 
ou “mar de elétrons” que envolve a estrutura e causa uma força 
que faz com que os átomos do metal permaneçam unidos. 
 
 
Os cátions formados agrupam-se segundo um arranjo geométrico 
bem definido, uma estrutura cristalina ou célula unitária, que também 
pode ser chamada de retículo ou reticulado cristalino. Os reticulados 
cristalinos mais comuns dentre os metais são os representados a seguir: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Propriedades dos Metais: 
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Condução de eletricidade: os metais são ótimos condutores de 
eletricidade, sendo, em razão dessa propriedade, muito utilizados em fios 
elétricos. Essa propriedade é explicada pelo fato de que como os metais 
possuem um “mar” de elétrons livres, ou deslocalizados, esses elétrons 
permitem a transição rápida de eletricidade através do metal. Quando 
submetidos a uma voltagem externa, esses elétrons livres dirigem-se ao 
polo positivo da fonte externa. Esse movimento dos elétrons é o que 
chamamos de corrente elétrica. 
Condução de calor: a explicação para o fato de os metais serem bons 
condutores térmicos é baseada na presença dos elétrons livres que são 
dotados de movimento, como foi explicado no item anterior. Esses elétrons 
permitem o trânsito rápido do calor; e por isso os metais são usados em 
panelas e caldeiras industriais. 
Densidade elevada: normalmente os metais são densos, em virtude das 
estruturas compactas dos retículos cristalinos. 
Pontos de fusão e ebulição altos: a força de atração causada pelo “mar” de 
elétrons livres é muito forte, mantendo os átomos unidos com muita 
intensidade. Assim, para que se rompa essa ligação é preciso fornecer altas 
energias externas. 
Essa é uma característica que permite o uso dos metais em caldeiras, tachos 
e reatores nucleares, onde ocorrem aquecimentos intensos e eles não 
derretem. 
Resistência à tração: os fios metálicos são muito resistentes às forças que 
se aplicam sobre eles ao serem puxados ou alongados. Isso ocorre porque a 
intensidade da ligação metálica é muito elevada e difícil de romper. 
Em virtude dessa propriedade, esses metais são aplicados em cabos de aço 
de elevadores ou de veículos suspensos (como o bondinho do Pão de 
Açúcar, no Rio de Janeiro) e em vergalhões de aço colocados dentro de 
estruturas de concreto armado em pontes e edifícios. 
 
 
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Visão da Termodinâmica da Solidificação: 
 A transformação do estado líquido para o sólido (e vice versa) ocorre 
devido a transformação da matéria para uma condição mais estável 
com menor energia livre; 
 Para que o processo de solidificação aconteça deve haver uma 
redução de energia livre. Desta forma no ponto de equilíbrio nada 
acontece, pois as energias dos dois estados são iguais; 
 A solidificação somente ocorrerá se o metal for resfriado abaixo da 
temperatura de equilíbrio; 
 Essa diferença entre a temperatura de equilíbrio e a temperatura onde 
a solidificação efetivamente acontece chama-se grau de super 
resfriamento; 
 Quanto maior a taxa de resfriamento maior o grau de super 
resfriamento. 
Em termos de metalurgia física: 
 A fusão ocorre quando a energia de vibração dos átomos por conta 
do aumento da temperatura supera a energia envolvida na ligação 
química entre os átomos. 
 No estado líquido não há ordem a longa distância (não há sistema 
cristalino) e as ligações entre os átomos é fraca do tipo Van der 
Waals 
Solidificação dos Metais: 
A solidificação dos metais no interior dos moldes é a transição do 
estado líquido para o sólido. 
A solidificação se processa em duas etapas consecutivas: 
i) De nucleação 
ii) Crescimento de novas fases (sólida) em meio a anterior (líquida). 
 
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Nucleação e crescimento de cristais 
Nucleação 
– Formação de núcleos estáveis no fundido; 
Crescimento 
- Transformação de núcleos em cristais 
- Formação de uma estrutura de grãos. 
 
1. Nucleação Homogênea – o núcleo sólido “nasce” totalmente a 
partir do líquido; 
2. Nucleação Heterogênea – o núcleo sólido “nasce” em contato 
com uma superfície sólida. 
 
 
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A fase sólida nucleia em meio à fase líquida, sem que haja interferência 
ou contribuição energética de elementos ou agentes estranhos ao sistema 
metal líquido/metal sólido (Esta é uma condição pouco realista). 
Exemplo: para metais puros lentamente resfriados abaixo da 
temperatura de fusão até uma certa temperatura, numerosos núcleos 
homogêneos cristalinos são criados pelo movimento lento de átomos. 
 
Nucleação homogênea: 
Estrutura dos metais líquidos: estado desordenado de átomos no qual 
ocorre esporadicamente o surgimento aleatório de pequenas regiões 
atomicamente ordenadas segundo estrutura cristalina do metal 
correspondente. 
Embriões da fase sólida: regiões com ordenação de curto alcance; 
podem ser determinados por difração e raios X. 
Os embriões eventualmente tornam-se estáveis, crescendo 
posteriormente, dependendo de seu tamanho crítico e condições 
térmicas existentes na fase líquida 
 
 
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Cristalização: 
 Aparecimento das primeiras células cristalinas unitárias, que servem como 
“núcleos” para posterior desenvolvimento ou “crescimento” dos cristais, 
dando finalmente, origem aos grãos definitivos e a “estrutura granular” 
típicas dos metais. 
 
Diagramas esquemáticos das várias etapas da solidificação de um material 
policristalino: Os pequenos quadrados representam células unitárias em 
uma escala bidimensional. 
 
 
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Processo de solidificação-Formação dos grãos a partir das paredes do 
molde: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Os grãos cristalinos vão crescendo e formarão uma estrutura chamada 
“dendrita”. 
 As dendritas formam-se em quantidades cada vez maiores até se 
encontrarem; o seu crescimento é, então, impedido pelas dendritas 
vizinhas, originando os grãos e os contornos de grãos que delimitam cada 
grãos e os contornos de grãos, que delimitam cada grão cristalino, 
formando a massa sólida. 
Quando resta pouco líquido e os diferentes grãos começam a se encontrar, 
formando o contorno de grão. 
 
 
 
 
 
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Tipos de Grãos: 
Grãos equiaxiais: 
 Crescimento de cristais aproximadamente igual em todas as direções. 
 Se formam devido a alta velocidade de solidificação na parede do 
molde. 
 Usualmente adjacentes a parede fria do molde, (zona Chill, ou 
coquilhada) mas podem aparecer no centro do lingote também 
dependendo do tamanho do molde e da velocidade de resfriamento 
(nesse caso se for lenta). 
Grãos colunares: 
 Longos, finos, grosseiros; 
 Crescem a partir dos grãos equiaxiais formados na parede do molde; 
 Solidificação relativamente lenta em gradiente de temperatura; 
 Perpendiculares à parede fria do molde. 
Zona Coquilhada: 
 É formada por pequenos grãos equiaxiais de orientação cristalográfica 
aleatória junto a interface metal-molde. 
Perpendiculares à parede fria do molde. 
Representação esquemática dos três tipos de estruturas “brutas de fusão” 
normalmente existentes nos lingotes: 
 
 
 
 
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Macrografia mostrando os dois tipos de grãos: 
 
Grãos colunares em um lingote de alumínio fundido. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Possíveis variações na macroestrutura de um lingote. 
 (a) Ausência da Zona Equiaxial Central 
(b) Presença das três Zonas 
 (c) Ausência das Zonas Coquilhada e Colunar. 
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Frente de solidificação com crescimento dendrítico 
Durante o resfriamento de muitos metais(e ligas) os cristais nucleados 
crescem preferencialmente em certas direções fazendo com que cada cristal 
em crescimento assuma uma forma distinta conhecida como “Dendrita”. 
 
MICROESTRUTURAS DE SOLIDIFICAÇÃO 
As microestruturas formadas na solidificação de ligas metálicas, 
especialmente o tamanho médio dos grãos, estão diretamente relacionadas 
com a velocidade de solidificação. 
A velocidade de solidificação, por sua vez, depende do processo de 
fundição utilizado e de características das pecas. 
FATORES QUE INFLUENCIAM NA VELOCIDADE DE 
SOLIDIFICAÇÃO: 
 Tipo de molde (material de moldagem) : 
 areia x metal; 
 Dinâmica do Processo: gravidade x pressão. 
 Geometria da Peca: paredes grossas x paredes finas. 
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A velocidade de solidificação também influencia no equilíbrio durante a 
solidificação de ligas metálicas. 
Solidificação de metais ou ligas 
 
Modelo de Crescimento com Interface Plana ou Lisa Solidificação 
Progressiva 
 
 
 
 
 
 
 
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A Interface cresce segundo um Plano Atômico bem definido que separa as 
Fases Sólido (ordenada atomicamente) e Líquido (desordenada 
atomicamente), caracterizado por uma variação abrupta e nítida. 
Modelo de Crescimento com Interface Dendrítica ou Difusa 
Solidificação Extensiva 
 
A Interface de Crescimento não apresenta uma separação bem definida 
entre as Fases Sólido e Líquido ocorrendo a formação de uma região 
intermediária formada pela mistura de fases sólida e líquida (metal semi-
sólido). 
Modelo de Crescimento característico de Ligas que solidificam sob um 
intervalo de temperaturas ( ∆T = TL–TS ⇒Intervalo de Solidificação) 
Diagrama Ferro Fundido 
 
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Representação esquemática de solidificação de um metal puro 
 
Representação esquemática do modelo de solidificação de uma liga 
com pequeno intervalo de solidificação. 
 
 
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Minério de Ferro: 
 Retirado do subsolo, porém muitas vezes é encontrado exposto 
formando verdadeiras montanhas; 
 Principais minérios: Hematita e Magnetita; 
 Para retirar as impurezas, o minério é lavado, partido em pedaços 
menores e em seguida levados para a usina siderúrgica. 
 5ª reserva do mundo (primeiras China, Ucrânia, Rússia e Austrália); 
 2ª produção mundial com 17% do mercado (primeira China); 
 1º exportador do mundo em 2008 (2º Austrália); 
 Principais empresas produtoras: Vale 79%, CSN 7,4% e Anglo 
American 3,0%; 
 Produção: MG – 71% e PA – 26% 
 A partir de 2004 a China superaqueceu o mercado e os preços. 
Principais exportações: 
• China 
• Japão 
• Alemanha 
• Coréia do Sul 
 
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Quadrilátero ferrífero ou central – MG 
• Mais explorado sítio mineralógico com70% da produção nacional. 
• Grandes grupos empresariais: Vale, CSN, outras. 
• Exportação de 70% da produção. 
• 30% para consumo interno. 
Aparato siderúrgico: 
 CSN – Volta Redonda-RJ 
 Cosipa – Cubatão-SP 
 Acesita – Ouro Branco-MG 
 Belgo-Mineira – Sabará e Monlevade 
 Usiminas – Ipatinga-MG 
 CST – Vitória - ES 
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Ferro: 
 Normalmente encontrado na forma de minérios, como 
hematita (Fe2O3) e pirita (FeS2). 
 A obtenção do ferro a partir de seus minérios ocorre nos alto-fornos, 
em presença de carbono (carvão). 
Obtenção do ferro gusa 
 Na usina, o minério é derretido num forno denominado ALTO 
FORNO. 
 No alto forno, já bastante aquecido, o minério é depositado em 
camadas sucessivas, intercaladas com carvão coque (combustível) e 
calcário (fundente) 
 Estando o alto forno carregado, por meio de dispositivo especial 
injeta-se ar em seu interior. O ar ajuda a queima do carvão coque, 
que ao atingir 1200ºC derrete o minério. 
 
 
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 O ferro ao derreter-se deposita-se no fundo do alto forno. A 
este ferro dá-se o nome de ferro-gusa ou simplesmente gusa. 
 As impurezas ou escórias por serem mais leves, flutuam sobre 
o ferro gusa derretido. 
 Através de duas aberturas especiais, em alturas diferentes são 
retiradas, primeiro a escória e em seguida o ferro-gusa que é 
despejado em panelas chamadas CADINHOS. 
 O ferro-gusa derretido é levado no cadinho e despejado em 
formas denominadas lingoteiras. 
 Uma vez resfriado, o ferro-gusa é retirado da lingoteira 
recebendo o nome de LINGOTE DE FERRO GUSA. 
 A seguir são armazenados para receberem novos tratamentos, 
pois este tipo de ferro, nesta forma, é usado apenas na 
confecção de peças que não passarão por processos de 
usinagem. 
 
 
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Ferro fundido 
 Liga de ferro - carbono que contém de 2 a 4,5% de carbono. O 
ferro fundido é obtido diminuindo-se a porcentagem de 
carbono do ferro gusa. É portanto um ferro de segunda fusão. 
 O ferro fundido tem na sua composição maior porcentagem de 
ferro, pequena porcentagem de carbono, silício, manganês, 
enxofre e fósforo. 
Aço 
 Um dos mais importantes materiais metálicos usados na 
indústria mecânica. É usado na fabricação de peças em geral. 
 Obtém-se o aço abaixando-se a porcentagem de carbono do 
ferro gusa. 
 A porcentagem de carbono no aço varia entre 0,05% a 1,7%. 
Principais características do aço: 
 Pode ser trabalhado com ferramenta de corte; 
 Pode ser curvado; 
 Pode ser dobrado; 
 Pode ser forjado; 
 Pode ser soldado; 
 Pode ser laminado; 
 Pode ser estirado (trefilado); 
 Possui grande resistência à tração; 
 
• Aço carbono 
 São os que contém além do ferro, pequenas porcentagens de 
carbono, manganês, silício, enxofre e fósforo. 
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 Os elementos mais importantes do aço ao carbono são o ferro 
e o carbono. O manganês e silício melhoram a qualidade do 
aço, enquanto que o enxofre e o fósforo são elementos 
prejudiciais. 
 A quantidade de carbono define a resistência do aço. 
 
 
 Microestrutura de ferrita e perlita; 
 Macios e pouco resistentes, muito dúcteis e tenazes; 
 Insensíveis a tratamentos térmicos; 
 Custo mais baixo de produção; 
 Usos em painéis de carros, tubos, pregos, arames, etc. 
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 Utilizados na forma de martensita (fase extremamente dura 
mas frágil) temperada (tratamento térmico para aumentartenacidade da martensita); 
 Usos em facas, martelos, talhadeiras, serras de metal; 
 Tratáveis termicamente 
 A presença de impurezas aumenta a resposta a tratamentos 
térmicos. 
 Se tornam mais resistentes mas menos dúcteis e tenazes. 
 Usos em molas, pistões, engrenagens... 
 
 
 
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 Extremamente duros e fortes, pouco dúcteis; 
 Resistentes ao desgaste e mantém o fio; 
 Se combinam com Cr, V e W para formar carbetos 
(Cr23C6,V4C3 e WC) que são extremamente duros e 
resistentes; 
 Usos em moldes, facas, lâminas de barbear, molas. 
Ferro fundido 
 Liga de ferro - carbono que contém de 2 a 4,5% de carbono. O 
ferro fundido é obtido diminuindo-se a porcentagem de 
carbono do ferro gusa. É portanto um ferro de segunda fusão. 
 O ferro fundido tem na sua composição maior porcentagem de 
ferro, pequena porcentagem de carbono, silício, manganês, 
enxofre e fósforo. 
 
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Extração da Bauxita 
Na produção de bauxita, o Brasil é o terceiro em nível mundial, com 
uma produção de aproximadamente 17,4 milhões de toneladas. Sua 
extração acontece, exclusivamente, na Serra do Oriximiná, no estado 
do Pará. Esse minério é usado na fabricação do alumínio, importante 
matéria-prima na produção de eletrodomésticos, material elétrico, 
entre muitos outros. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Propriedades Mecânicas do Alumínio: 
 Alumínio Metal de cor brilhante, branco, leve; 
 Densidade 2,7 g/cm3; 
 Ponto de fusão 660°C; 
 Alta resistência a corrosão; 
 Não é toxico; 
 Boa condutibilidade elétrica; 
 Alta refletividade (calor ou luz)., entre muitos outros 
  Ponto de Fusão: 660 C 
  Sistema cristalino: CFC 
 Densidade 
Al= 2,7 g/cm
3 
 
Cu= 8.9 g/cm
3 
 
Aço= 7.9 g/cm
3 
 
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• DUCTILIDADE 
 Tem alta Ductilidade = HB: 17-20 
• MÓDULO DE ELASTICIDADE 
 Possui módulo de elasticidade baixo 
 Al= 7000 Kg/mm
2
 
 Cu= 11.500 Kg/mm
2
 
 Aço= 21.000 Kg/mm
2
 
• CONDUTIVIDADE ELÉTRICA 
- A condutividade elétrica do Al é 61-65% da do Cu 
- A condutividade elétrica é afetada pela presença de impurezas 
PRINCIPAIS IMPUREZAS 
• Ferro  reduz a trabalhabilidade (AlFe3) 
• Silício  aumenta a resistência à tração 
• Cobre  aumenta a resistência à tração 
• Elevada Plasticidade laminados de pouca espessura (resguardos 
de bombons, etc...) 
 Elevada condutividade elétrica (65% do Cu)  emprego no setor 
elétrico (cabos, fios, etc...). A vantagem do Al é a leveza. 
 Elevada resistência à corrosão artigos domésticos, embalagens, 
etc... 
 Baixa densidade material para construção mecânica (carros, 
aeronaves,etc...).