Fusão dos Metais

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Aula 02 : Fundamentos dos Processos de Fundição- Fusão dos Metais e 
Ligas
Disciplina: Fundição Semestre 2016_1
Prof. Guilherme Verran
01. Introdução – fundamentos da fusão dos metais.
02. Interações entre os metais líquidos e o meio.
03. Princípios metalúrgicos da fusão.
04. Tratamentos dos metais líquidos
05. Fornos de Fusão
06. Gases em metais líquidos: causas, consequências e meios para eliminação
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FUSÃO 
DE
METAIS
CARGA
OPERAÇÃO
DE FUSÃO
MATERIAL COM 
COMPOSIÇÃO QUÍMICA 
ESPECÍFICA
Tamanho
Formato
Grau de 
Pureza
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ELEMENTOS BÁSICOS DA FUSÃO 
CARGA
METAIS PUROS
ANTE-LIGAS 
MATERIAL RECICLADO
SELEÇÃO 
DA 
CARGA
BALANCEAMENTO DAS COMPOSIÇÕES 
DAS MATÉRIAS PRIMAS
COMPOSIÇÃO FINAL DESEJADA
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Principal Problema 
na Fusão de 
Materiais Metálicos
VARIAÇÃO DA 
COMPOSIÇÃO QUÍMICA
⇓
PEÇAS FUNDIDAS 
FORA DAS ESPECIFICAÇÕES
REATIVIDADE QUÍMICA 
DOS METAIS LÍQUIDOS
⇓
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Recomendação 
Importante
CONDUZIR A OPERAÇÃO DE 
MODO A EVITAR OU REDUZIR 
COMBINAÇÃO DO 
METAL/LIGA COM OS 
ELEMENTOS QUE O CERCAM
TIPOS 
DE 
FUSÃO
Fusão 
Simples
Fusão sob Vácuo 
ou Atmosfera Inerte
Aumento da 
Reatividade 
Química da 
Liga
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ESTÁGIOS 
DA 
FUSÃO
Fusão 
propriamente dita ⇒
Reações com a 
atmosfera circundante
Tratamentos 
do Banho ⇒
Uso de fluxos-escória 
para remover impurezas
Ajuste da 
Composição ⇒
Adição de metais muito 
reativos no final da 
operação. Ex: Mg em Al.
Ajuste e 
Controle das 
Propriedades
⇒ • Desoxidação
• Refino de Grão
• Inoculação 
• Desgaseificação
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Possíveis Interações entre o Metal Líquido e o “Ambiente” 
1 . Dissolução de gases no 
metal
2 . Reações geradoras de 
gases
3 . Trocas Metal-Escória
4 . Reações do Metal com o 
Cadinho (recipiente)
1 2
3
4
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Fontes de Impurezas e de Elementos 
Estranhos ao Metal Líquido
Fusão em 
Fornos Elétricos 
Fusão em 
Fornos a 
Combustível 
Produtos de Combustão
(CO2 - CO - H2O - SO2 + O2 e N2)
P e S das cinzas de 
Combustíveis Sólidos
Recipiente 
Refratário
Atmosfera Normal (O2 - N2 - H2O - CO2)
Contaminações Metálicas e 
Não Metálicas (Si - Al - O2 - H2)
Carga e Ferramentas usadas na Fusão
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PRINCÍPIOS METALÚRGICOS DA FUSÃO
REATIVIDADE 
QUÍMICA
REAÇÃO MAIS 
PROVÁVEL COM O 
OXIGÊNIO
M + O2 ⇔ MO2 
MISTURA E 
EQUILÍBRIO
ELEMENTOS DE LIGA (SOLUTOS) 
SÃO DISSOLVIDOS
NO METAL BASE (SOLVENTE)
PREVISÃO DA SOLUBILIDADE ⇒
DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO
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Variações na Composição Química
Problema: Enriquecimento em Fe
Origem
Contaminação 
pelo ferramental
Sucata com 
partes de Fe 
inseridas ou de 
procedência 
duvidosa
Consequências
Al-Si⇒ fragilização
composto AlFeSi em 
forma de escrita chinesa
Al-Cu ⇒ formação de
composto não solúvel 
no tratamento térmico
Como 
evitar-eliminar
Controle da qualidade 
da sucata
Proteger 
ferramentas
Limitar tempo 
contato 
ferramentas-banho
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Problema: Enriquecimento em Ti
Origem
Introdução de 
fluxos
Sucata de 
origem 
duvidosa
Consequências
Acima de 0,3% Ti forma 
TiAl3 sob a forma de 
cristais primários
Como 
evitar-eliminar
Controle rigoroso:
• adição fluxos
• qualidade da sucata
Variações na Composição Química
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Problema: Redução no teor de Mg
Origem
Oxidação na 
fusão e na espera
Temperaturas 
elevadas
Longos tempos 
no estado líquido
Como 
evitar-eliminar
Controlar:
•Temperatura
•Tempo de 
permanência
•Momento da 
adição do Mg
Consequências
Perdas na fusão:
0,15-0,25 Al-Mg
0,04-0,10 AlSiMg
Perdas na espera:
0,01 AlSiMg
AlCuMgTi
0,02 AlSiMg mod.
Variações na Composição Química
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Problema: Heterogeniedade do banho no forno
Teores elevados de liga
Origem
Segregação de 
elementos/compostos 
insolúveis a baixas T
Temperaturas baixas
Falta de agitação
Consequências
•Variações na 
composição do 
banho 
•Formação de 
pontos duros
•Formação de 
depósitos no 
fundo dos 
cadinhos
Como 
evitar-eliminar
•Limitar uso de 
elementos que 
segregam
•Evitar temperaturas 
de fusão e espera 
muito baixas
•Evitar tempo de 
espera excessivo
Variações na Composição Química
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TRATAMENTOS DOS METAIS LÍQUIDOS
OBJETIVOS • PROTEÇÃO CONTRA OXIDAÇÃO 
E ABSORÇÃO DE GASES
• RETIRADA DE GASES 
DISSOLVIDOS
• ALTERAÇÕES NOS 
MECANISMOS DE SOLIDIFICAÇÃO 
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TRATAMENTOS DOS METAIS LÍQUIDOS
• UTILIZAÇÃO DE FUNDENTES DENOMINADOS 
FLUXOS
• SÃO CLASSIFICADOS DE ACORDO COM 
AS SUAS FUNÇÕES
• PROTEÇÃO CONTRA OXIDAÇÃO 
E ABSORÇÃO DE GASES
• ELIMINAÇÃO DE ÓXIDOS E GASES
• REFINADORES DE GRÃOS 
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FLUXOS DE PROTEÇÃO
• PREVENÇÃO DE PERDAS DE METAL DURANTE 
A FUSÃO. 
• COBERTURA PROTETORA SOBRE O METAL 
LÍQUIDO. 
• REDUÇÃO DE PERDAS NA RETIRADA DA 
ESCÓRIA
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FLUXOS DE PURIFICAÇÃO
• ELIMINAÇÃO DE GASES DISSOLVIDOS E DE 
ÓXIDOS 
• REAÇÃO QUÍMICA PRODUZ 
BORBULHAMENTO
• EXTRAÇÃO MECÂNICA DE 
GASES E ÕXIDOS
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FLUXOS REFINADORES
• INTRODUÇÃO DE SUBSTRATOS PARA 
AUMENTAR A FREQUÊNCIA DE NUCLEAÇÃO 
• ESTRUTURA COM GRÃOS 
MAIS FINOS
• MELHOR COMPORTAMENTO 
MECÂNICO
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CARACTERÍSTICAS EXIGIDAS DE UM FLUXO 
• BOA FLUIDEZ.
• DENSIDADE INFERIOR AO METAL LÍQUIDO. 
• POUCO HIGROSCÓPICO. 
• NÃO TÓXICOS
• DISSOLVENTE DE ÓXIDOS
• FACILMENTE DECOMPOSTO OU 
VOLÁTIL
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Fornos de Fusão
FORMAS DE 
AQUECIMENTO
ELÉTRICO
QUEIMA DE 
COMBUSTÍVEIS
Indução 
Eletro-magnética
Resistência
Arco Elétrico
Óleo
Gás
Carvão
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CONFIGURAÇÃO
E ASPECTO 
FUNCIONAL
Cadinho
Revérbero
Rotativo
Extração por 
Levantamento
Basculante
Teto deflete a 
chama e os produtos 
de combustão para 
superfície do metal
Fornos de Fusão
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Fornos 
Especiais
CUBILOT
• Forno de cuba vertical.
• Funcionamento contínuo.
• Produção de F0Fos.
CONVERSOR
• Fabricação de aços.
• Oxidaçãode Impurezas.
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• História
– Surgiram antes da Primeira Guerra Mundial, mas
com características básicas, que foram evoluindo
até chegar aos fornos modernos, de última geração
e totalmente automatizados.
– Essa tecnologia moderna surgiu na Alemanha,
desenvolvida pela GHW, após a Segunda Guerra
Mundial.
– No Brasil, o primeiro forno cubilô moderno foi
instalado 1982, na Sofunge, naquela época a maior
fundição do país. Antes de adquirir esse forno, a
Sofunge tinha 12 cubilôs convencionais, a maioria
deles adquiridos de segunda mão nos Estados
Unidos.
– A maioria dos cubilôs em funcionamento no país
são simples e de pequeno porte e podem ser
desligados quando for necessário. Já os cubilôs
modernos foram projetados para funcionar
ininterruptamente.
� Forno Cubilô 1967 – Escola Politécnica
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• Zona superior de carga 
• Zona de carregamento
• Zona de fusão
• Cadinho
• Furo de vazamento
• Sifão
• Bica de vazamento
Zona superior 
de carga 
Zona de 
carregamento
Zona de 
fusão
Cadinho
Furo de 
vazamento
Sifão
Bica vazamento
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• A composição da carga
depende:
– Metal que a constitui;
– Combustível;
– Substância fundente.
• Exemplo – Carga total
para a produção de
Ferro Fundido:
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• Baixo Custo:
– Fusão;
– Carburização;
– Carga Metálica;
– Pessoal Operacional;
– Manutenção;
– Metal Quente.
• Alta Flexibilidade:
– Fundição de sucatas contaminadas por:
• Plástico ou graxa;
• Sujeitara ou escória;
– Fundição de grandes quantidades de
sucata galvanizada;
– Índice de fusão variável até 35%;
– Produção de diversos tipo de ferro.
� Emissões Reduzidas:
o Particulados e metais pesados;
o CO2;
o Outros;
� Aplicações:
o Ferro Cinzento;
o Ferro Nodular;
o Ferro Vermicular;
o Ferro Maleável;
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http://www.flickr.com/photos/fonderiefonte/3485282717/in/photostream/
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http://www.flickr.com/photos/fonderiefonte/3485282717/in/photostream/
Fornos 
de 
Cadinho
Utilizações
FORMAS DE 
AQUECIMENTO
Fusão de Metais Não 
Ferrosos em fundições de 
pequeno porte.
Tratamentos - Espera e 
Manutenção em Fundição 
Sob Pressão.
Elétrico a Resistência
Queima de óleo, carvão ou gás
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Fornos de 
Cadinho a 
Resistência
Cadinhos, com capacidade de até 250 
kg de alumínio. Com 24 kW, funde 70 
kg por hora.
Disciplina: Fundição
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Fornos de 
Cadinho a 
Resistência
Cadinhos, com capacidade de até 191 kg de 
alumínio. Com 24 kW, funde 70 kg por hora.
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Fornos de Cadinho a Resistência
Disciplina: Fundição
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Seção Transversal de um Forno elétrico à Arco 
Fornos à Arco Elétrico
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Vista em corte de um forno à arco mostrando os 
refratários utilizados
Disciplina: Fundição
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Fornos 
de 
Indução
Princípio de Funcionamento
Ao passar corrente elétrica por um bobina 
primária (solenóide) o metal ou o cadinho 
funciona como uma bobina secundária 
Indução de Correntes Parasitas 
(Correntes de Foucaudt)
Produção do Efeito de Aquecimento
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Fornos de Indução a Cadinho
Cadinho de material refratário socado no local ou pré-
fabricado, circundado por uma bobina cilíndrica feita de 
tubo de cobre percorrida por água de resfriamento.
• A bobina indutora tem aproximadamente a mesma 
altura do nível do banho. 
• O campo magnético origina um movimento do banho 
cuja intensidade depende da potência fornecida e, em 
função inversa, da frequência de corrente.
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Fornos de 
Indução a 
Cadinho
Disciplina: Fundição
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Vista em corte de um forno a indução a cadinho mostrando 
a bobina de cobre e os demais componentes estruturais
Fornos de Indução a Cadinho
Disciplina: Fundição
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Fornos de Indução a Cadinho
Vista em corte de um forno a indução a cadinho em operação, 
mostrando o efeito de agitação (homogeneização do banho) devido 
as correntes convectivas provocadas pelo campo magnético 
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Fornos de Indução a Canal
É um grande reservatório de metal fundido 
sem aquecimento direto.
• Somente o líquido que se encontra no canal 
é aquecido por indução pela bobina do indutor. 
Utilizações Superaquecimento e armazenamento 
de metal líquido (ferro fundido)
Disciplina: Fundição
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Fornos de 
Indução a 
Canal
Disciplina: Fundição
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Vista em corte de um forno a indução à canal mostrando um 
arranjo diferenciado da bobina de indução.
Disciplina: Fundição
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Forno de Indução
Transferência 
para panela de 
vazamento
Disciplina: Fundição
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Explosão de um 
forno a indução
Provável Causa
Carga contendo 
umidade
Problemas na Fusão por Indução
Disciplina: Fundição
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Problemas na Fusão por Indução
Respingos no 
Vazamento
Podem causar 
lesões sérias nos 
operadores
Disciplina: Fundição
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GASES EM METAIS LÍQUIDOS
Fenômeno: os metais líquidos dissolvem
consideráveis volumes de gás durante as operações
de fusão
Conseqüência: os gases dissolvidos no seio do líquido
devem ser removidos antes da solidificação sob pena de
ocorrência de defeitos tipo “bolhas de gás” devido as
diferentes solubilidades destes gases no líquido e no
sólido.
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran 
Fusão e metais líquidos
500 550 600 650 700 750 800 850 900
Temperatura, °C
0,2
0
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
So
lu
bi
lid
a
de
 
em
 
m
L 
/ 1
00
 g
Sólido
Líquido
Solubilidade do hidrogênio no alumínio a 1 atm
Gráfico mostra grande variação da solubilidade do hidrogênio no 
Alumínio em função da mudança no estado físico 
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran 
Fusão e metais líquidos
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Problema sob o ponto de vista da 
Metalurgia de Fundição
Surge quando a quantidade de gases no 
metal líquido excede a que pode ser retida 
em solução sólida.
⇓
A concentração de gases no líquido
remanescente aumenta com o progresso da
solidificação e, em certo ponto, nucleiam-se e
crescem bolhas gasosas.
Disciplina: Fundição
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Fusão e metais líquidos
a) Baixa velocidadede avanço da frente de solidificação ⇒ a frente repele as bolhas
b) Média velocidade de avanço da frente de solidificação ⇒ formação de bolhas alongadas
c) Alta velçocidade de avanço da frente de solidificação ⇒ formação de porosidades dispersas
Efeito da velocidade de crescimento na interação entre 
bolhas de gás e a interface sólido-líquido
Disciplina: Fundição
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Princípios de Solubilidade e Formação de Compostos
A dissolução de um gás em um metal pode ser
indicada por uma expressão do seguinte tipo:
M H Hl g( ) ( )+ ⇔2 2
particularmente para o Al:
Al H Hl g( ) ( )+ ⇔2 2
a molécula H2 (g) de gás hidrogênio se dissocia em
contato com o Al, entrando em solução como
hidrogênio atômico → H
Disciplina: Fundição
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Para o Sistema Al(l) e O2(g) o produto da reação
é um composto sólido (s):
Al O Al Ol g s( ) ( ) ( )+ →2 2 3
O2 não se dissolve no Al(l) e forma um filme de
óxido na interface metal-gás.
Nas condições normais de fundição Al2O3 se forma
como um filme sólido na superfície do alumínio
líquido.
⇓
Disciplina: Fundição
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Eliminação de Gases nos Metais Líquidos
Tratamentos mais importantes na remoção
de contaminantes gasosos de metais líquidos:
Remoção de Hidrogênio
Remoção do Oxigênio
Disciplina: Fundição
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Fusão e metais líquidos
Remoção de Hidrogênio
Prática mais comum de desgaseificação: 
Borbulhamento de um gás inerte no metal líquido
“Cloro ou Nitrogênio no caso das ligas de Al”
⇓
O gás inerte ao se deslocar no interior do
líquido tende a arrastar consigo o H atômico
dissolvido neste líquido, ocorrendo então a
desgaseificação do metal líquido.
Disciplina: Fundição
Professor: Guilherme O. Verran 
Fusão e metais líquidos
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Representação esquemática do Processo Rotor para 
desgaseificação de Al e ligas 
Disciplina: Fundição
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Fusão e metais líquidos
Remoção do Oxigênio
A solubilidade do oxigênio nos metais difere da do
hidrogênio principalmente pela grande tendência do
oxigênio de formar compostos estáveis com os
metais.
a) Compostos insolúveis nos metais líquidos nas
temperaturas normais de fusão ⇒ a desoxidação se
torna desnecessária, como nos casos do Al, Mg, Sn,
Pb, Cd, Zn e respectivas ligas
b) Metais que dissolvem oxigênio(Cu, Ni e Fe) ⇒ a
solubilidade do oxigênio em relação à atmosfera dos fornos
pode ser tratada de mesma maneira que com o
hidrogênio
Disciplina: Fundição
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Desoxidação pela Aplicação do Princípio da 
Estabilidade Relativa dos Óxidos
Ma = metal líquido solvente contendo oxigênio em solução
Mb = elemento soluto adicionado
Se o óxido MbO mais estável que o óxido MaO.
Mb é considerado um desoxidante satisfatório para o metal
Ma se forem obedecidas outras condições adicionais
⇓
Disciplina: Fundição
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Fusão e metais líquidos
Condições para que uma Metal B seja um 
desoxidante efetivo do Metal A
• O produto de desoxidação (óxido MbO) deve
separar-se facilmente do metal líquido.
• As propriedades do metal Ma não devem ser
afetadas substancialmente por qualquer resíduo de Mb
que permaneça em solução.
• A quantidade de oxigênio residual em solução não
deve ter efeito significativo nas propriedades da liga
fundida.
Disciplina: Fundição
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A reação de desoxidação pode ser
representada pela equação:
M O M Ob b+ ⇔
onde Mb e O estão em solução em Ma , e MbO é um 
óxido sólido, líquido ou gasoso
Exemplo : Desoxidação de Aços 
Ma = Ferro Líquido Mb = Al - Si - Mn
MbO = Al2O3 - SiO2 - MnO
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Professor: Guilherme O. Verran 
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