Fudamentos da Fundição dos Metais

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Processos Mecânicos
Professor: Josan Figueiredo
Engenheiro Mecânico (UFS)
Tecnólogo em Petróleo e Gás (UNIT)
Pós-graduado em Gerenciamento de Projetos (FGV)
Mestre em Engenharia de Processos (UNIT)
Fundição
Fundição
O processo de fundição consiste em vazar (despejar) metal
líquido num molde contendo uma cavidade na geometria desejada
para a peça final.
Os processos podem ser classificados por:
− Tipo de molde;
− Tipo de modelo;
− Força ou pressão usada para preencher o molde com o metal líquido.
Fundição
Dentre as várias maneiras de trabalhar o material metálico, a
fundição se destaca, não só por ser um dos processos mais
antigos, mas também porque é um dos mais versáteis,
principalmente quando se considera os diferentes formatos e
tamanhos das peças que se pode produzir por esse processo.
Fundição
O processo de fundição permite obter, de modo econômico,
peças de geometria complexa, sua principal vantagem em relação a
outros processos.
Fundição
• O processo de fundição aplica-se a vários tipos de metais, tais como
aços, ferros fundidos, alumínio, cobre, zinco, magnésio e respectivas
ligas.
• Porém existem também desvantagens:
− Os aços fundidos podem apresentar elevadas tensões residuais,
microporosidade, zonamento e variações de tamanho de grão.
o Tais fatores resultam em menor resistência e ductilidade, quando comparados aos aços
obtidos por outros processos de fabricação como conformação a quente.
Processos Típicos
• Existem muitas variantes no processo de fundição:
• Grau de automação,
− Produtividade
− Precisão dimensional,
− Acabamento superficial,
• Influência do tipo de molde nas propriedades físicas do material resultante.
− A taxa de extração de calor através do molde, determina o tamanho final de grão, e
portanto a característica de resistência mecânica da peça.
− Por este motivo os processos de fundição são muitas vezes classificados de acordo
com o tipo de molde utilizado.
Processos Típicos
Os processos típicos podem ser classificados em quatro grupos
básicos:
a) Areia Verde (molde é descartável);
b) Molde Permanente (molde é metálico, bipartido);
c) Injeção (molde é metálico, o metal líquido entra sob pressão);
d) Cera Perdida (molde e modelo são descartáveis).
Areia Verde
.
Areia Verde
Molde Permanente
Molde Permanente
Injeção
Injeção
Cera Perdida
Cera Perdida
Etapas do Processo de Fundição
Apesar do grande número de variantes do processo de fundição, todo o
processo pode ser sintetizada de acordo com o fluxograma a seguir:
Fusão
• A discussão sobre fundição se inicia logicamente pelo molde. 
− O molde contém a cavidade cuja geometria determina a forma da peça
fundida.
− O tamanho e a forma reais da cavidade devem ser ligeiramente maiores, de
modo a permitir a contração que ocorre no metal durante a solidificação e o
resfriamento.
− Diferentes metais apresentam diferentes coeficientes de contração, de tal
modo que a cavidade do molde deve ser projetada para um dado metal a ser
fundido, caso a precisão dimensional seja crítica.
− Moldes são feitos de uma variedade de materiais, incluindo areia, gesso,
cerâmica e metal. Os diversos processos de fundição são geralmente
classificados de acordo com esses tipos de moldes.
Fundição
• Em um molde aberto, o metal líquido é simplesmente vertido até 
preencher a cavidade. 
• Em um molde fechado, um caminho, denominado sistema de 
alimentação, é previsto para permitir que o metal líquido flua da 
parte externa do molde até a cavidade. O molde fechado é, de longe, 
a categoria mais importante na produção de fundidos.
Dois tipos de molde: (a) molde aberto, meramente um contêiner com a forma da peça desejada; 
e (b) molde fechado, no qual a geometria do molde é mais complexa e requer um sistema de 
alimentação (caminho) para que o metal preencha a cavidade.
Fundição
• Processos de fundição se subdividem em duas grandes categorias, de 
acordo com o tipo de molde empregado: 
− fundição em moldes perecíveis (descartáveis) 
− fundição em moldes permanentes. 
Molde Perecível
• Um molde perecível significa que o molde no qual o metal líquido se 
solidifica deve ser destruído para remover a peça fundida. 
• Esses moldes são fabricados com areia, gesso, ou materiais similares, 
cuja forma é mantida com o uso de aglomerantes de diversos tipos.
• Fundição em areia é o mais importante exemplo de processos com 
molde perecível, no qual o metal líquido é vazado em um molde à 
base de areia. Após o metal se solidificar e adquirir resistência, o 
molde deve ser destruído para a remoção do fundido.
Molde Permanente
• O molde permanente pode ser utilizado diversas vezes para produzir 
muitos fundidos. 
• É feito de metal (ou, menos comumente, de uma cerâmica refratária) 
que pode resistir às elevadas temperaturas envolvidas nas operações 
de fundição. 
• Na fundição em moldes permanentes, o molde consiste em duas (ou 
mais) seções que podem ser abertas para permitir a remoção da peça 
acabada. 
• Fundição sob pressão é o processo mais conhecido desse grupo.
Aquecimento e Vazamento
Aquecimento do Metal
• Fornos de aquecimento de diversos tipos são usados para aquecer 
um metal a uma temperatura suficiente para a fundição. A energia 
térmica requerida é a soma:
− (1) do calor para aumentar a temperatura até a temperatura de fusão 
− (2) do calor de fusão para convertê-lo do estado sólido para o estado líquido,
− (3) do calor para que o metal líquido atinja a temperatura adequada ao 
vazamento. Isso pode ser expresso como:
Aquecimento do Metal
• H = calor total necessário para aumentar a temperatura do metal até a 
temperatura de vazamento, J;
• ρ = massa específica, g/cm3; 
• Cμ = calor específico do metal sólido, J/g°C;
• Tf = temperatura de fusão do metal, °C;
• To = temperatura de partida – em geral, a ambiente, °C;
• Hf = calor de fusão, J/g;
• Cl = calor específico do metal líquido, J/g°C;
• Tv = temperatura de vazamento, °C; e
• V = volume do metal que está sendo aquecido, cm3.
EXERCÍCIO
• Certa liga eutética com volume de um metro cúbico é aquecida em 
um cadinho, partindo da temperatura ambiente até 100 °C acima de 
seu ponto de fusão. A massa específica da liga é igual a 7,5 g/cm3, seu 
ponto de fusão é de 800 °C, o calor específico é de 0,33 J/g°C no 
estado sólido e de 0,29 J/g°C no estado líquido; e o calor de fusão é 
de 160 J/g. Qual é a energia necessária para que ocorra o 
aquecimento dessa liga metálica, considerando que não haja perdas 
de energia?
EXERCÍCIO
• Solução: Considere uma temperatura ambiente de 25 °C na fundição 
e que a massa específica é a mesma para os estados sólido e líquido. 
Sabendo que um m3 = 106 cm3, e substituindo os valores de 
propriedades na
• H = (7,5)(106){0,33(800 − 25) + 160 + 0,29(100)} = 3335(106)J
VAZAMENTO DO METAL LÍQUIDO
• Após a etapa de aquecimento e fusão, o metal está pronto para o 
vazamento. 
• A introdução do metal fundido no molde, incluindo seu fluxo por meio 
do sistema de canais e na cavidade do molde, é uma etapa crítica do 
processo de fundição. 
• Para que essa etapa seja bem-sucedida, o metal deve atingir todas as 
regiões do molde antes da solidificação. 
• Fatores que afetam a operação de vazamento incluem temperatura de 
vazamento, velocidade de vazamento e turbulência.
VAZAMENTO DO METAL LÍQUIDO
• A temperatura de vazamento é a temperatura do metal fundido no 
momento em que é introduzido no molde. 
− O que importa aqui é a diferença entre a temperatura no vazamento e a 
temperatura na qual a solidificação tem início (a temperatura de fusão para 
um metal puro ou a temperatura liquidus para uma liga)
• Superaquecimentoé o termo empregado para a quantidade de calor 
que deve ser removida do metal fundido entre o vazamento e o início 
da solidificação
VAZAMENTO DO METAL LÍQUIDO
• Taxa de vazamento se refere à vazão na qual o metal fundido é 
vertido no molde.
− Se a taxa for muito lenta, o metal resfria e para de fluir antes de encher a 
cavidade.
− Se a taxa de vazamento for excessiva, a turbulência pode se tornar um sério 
problema.
VAZAMENTO DO METAL LÍQUIDO
• Turbulência em escoamento de fluidos é caracterizada por variações 
erráticas na magnitude e direção da velocidade do fluido. O fluxo é agitado 
e irregular, em vez de suave e contido, como no fluxo laminar. 
− Fluxo turbulento deve ser evitado durante o vazamento, por várias razões. Ele tende 
a acelerar a formação de óxidos metálicos que podem ficar aprisionados durante a 
solidificação, degradando, assim, a qualidade do fundido. 
− Agrava a erosão do molde, o desgaste gradual das superfícies do molde devido ao 
impacto do fluxo de metal fundido. 
− A massa específica da maioria dos metais fundidos é muito maior que a da água e 
outros fluidos que normalmente utilizamos. Esses metais fundidos são também 
muito mais reativos quimicamente do que a uma temperatura ambiente. 
− Como consequência, o desgaste causado pelo fluxo desses metais no molde é 
significativo, em especial sob condições turbulentas. Erosão é especialmente séria 
quando ocorre na cavidade principal, porque a geometria da peça fundida é afetada.
ENGENHARIA DOS SISTEMAS DE VAZAMENTO
• Existem diversas correlações que governam o fluxo do metal líquido 
através do sistema de alimentação e dentro do molde. 
• Uma importante correlação é o teorema de Bernoulli, que afirma que 
a soma das energias (altura, pressão, cinética e atrito), em quaisquer 
dois pontos do fluxo metálico, é igual. Esse teorema pode ser escrito 
da seguinte forma:
em que h = altura, cm; p = pressão no líquido, N/cm2; ρ = massa específica, g/cm3; v = velocidade do 
fluxo metálico, cm/s; g = constante de aceleração gravitacional, 981 cm/s2; e F = perdas em altura devido 
ao atrito, cm. Os subscritos 1 e 2 indicam dois locais quaisquer do fluxo de líquido.
ENGENHARIA DOS SISTEMAS DE VAZAMENTO
• A equação de Bernoulli pode ser simplificada de vários modos. 
• Se ignorarmos perdas por atrito (para ser verdadeiro, o atrito afetará 
o fluxo de líquido através de um molde de areia) e assumirmos que o 
sistema permanece sob pressão atmosférica o tempo todo, então a 
equação pode ser reduzida a:
ENGENHARIA DOS SISTEMAS DE VAZAMENTO
• Ela pode ser utilizada para determinar a velocidade do metal fundido 
na base do canal de alimentação. Vamos definir o ponto 1 no topo do 
canal e o ponto 2 em sua base. No caso de o ponto 2 ser usado como 
plano de referência, a altura nesse ponto será zero (h2 = 0) e h1 será a 
altura (comprimento) do canal. Quando o metal for vazado na bacia 
de vazamento e transbordar do canal, sua velocidade inicial no topo 
será zero (v1 = 0). Assim, a Equação é simplificada para
que pode ser resolvida para determinar a velocidade do fluxo:
ENGENHARIA DOS SISTEMAS DE VAZAMENTO
• Outra correlação importante durante o vazamento é a lei de
continuidade, que afirma que a vazão é igual à velocidade
multiplicada pela área da seção transversal do canal que contém o
líquido.
• A lei de continuidade pode ser expressa:
ENGENHARIA DOS SISTEMAS DE VAZAMENTO
• Assumindo que o canal de distribuição que vai da base do canal de 
alimentação até a cavidade do molde é horizontal (e, portanto, a 
altura h é a mesma da base do canal), a vazão através do canal e 
dentro da cavidade do molde permanece igual a vA. 
Consequentemente, podemos estimar o tempo requerido para 
encher a cavidade de um molde de volume V como
em que TEM = tempo de enchimento do molde, s; V = volume da cavidade do molde, cm
3; e Q = vazão, 
como definido anteriormente. O tempo de enchimento do molde computado deve ser considerado como 
tempo mínimo. Isto porque a análise feita ignora perdas por atrito e possível restrição do fluxo dentro do 
sistema de alimentação; desse modo, o tempo de enchimento do molde será maior.
EXEMPLO 
• Um canal de alimentação de um molde tem 20 cm de comprimento, e 
a área da seção transversal na base é igual a 2,5 cm2. O canal alimenta 
um canal de distribuição horizontal até a cavidade do molde cujo 
volume é 1560 cm3. Determine: (a) velocidade do metal fundido na 
base do canal, (b) vazão do líquido, e (c) tempo para encher o molde.
SOLUÇÃO
FLUIDEZ
• As características de escoamento do metal fundido são 
frequentemente descritas pelo termo fluidez, que é uma medida da 
capacidade de um metal fluir e encher o molde antes da solidificação.
• Fluidez é o inverso de viscosidade 
− Conforme a viscosidade aumenta, a fluidez diminui.
−
− Ensaios padronizados estão disponíveis para avaliar a fluidez, incluindo o 
ensaio de molde espiral;
− A fluidez é indicada pelo comprimento do metal solidificado no canal espiral. 
Um maior espiral fundido significa maior fluidez do metal.
FLUIDEZ
• Fatores que influenciam a fluidez incluem:
− Temperatura de vazamento em relação ao ponto de fusão 
− composição do metal
− viscosidade do metal líquido 
− transferência de calor com o meio. 
• Uma maior temperatura de vazamento do metal em relação ao ponto de 
solidificação aumenta o tempo de permanência no estado líquido, permitindo 
que ele flua mais, antes da solidificação. 
• Isso tende a agravar problemas de fundição, como a formação de óxidos, 
porosidades, e a penetração do metal líquido nos interstícios entre os grãos de 
areia que formam o molde. 
• Esse último problema provoca o embutimento de partículas de areia na 
superfície do fundido, tornando-a mais rugosa e mais abrasiva que o normal.
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
• Metais Puros Um metal puro se solidifica a uma temperatura 
constante
• O ponto de fusão de metais puros é bem conhecido e documentado
• O processo ocorre ao longo do tempo, denominada curva de 
resfriamento. 
• A solidificação propriamente dita leva um tempo, chamado tempo 
local de solidificação do fundido, durante o qual o calor latente de 
fusão é liberado para o molde. 
• O tempo total de solidificação é o tempo entre o vazamento e o fim 
da solidificação. 
• Após o fundido estar totalmente solidificado, o resfriamento continua 
a uma taxa indicada pela inclinação da curva de resfriamento.
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
• Por causa da extração de calor pela parede do molde, imediatamente
após o vazamento é formada uma fina camada de metal sólido na
interface com o molde.
• A espessura da camada aumenta, formando uma casca em volta do
metal fundido à medida que a solidificação progride em direção ao
centro da cavidade.
• A velocidade com que a solidificação avança depende da
transferência de calor para o molde, assim como das propriedades
térmicas do molde.
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
• É de interesse examinar a formação dos grãos metálicos e seu crescimento 
durante o processo de solidificação. 
• O metal que forma a camada inicial foi, de modo rápido, resfriado pela 
extração de calor por meio das paredes do molde. 
• Esse resfriamento causa a formação de grãos finos e aleatoriamente 
orientados na camada solidificada. 
• Com a continuação do resfriamento, grãos adicionais são formados e 
crescem na direção contrária da transferência de calor. 
SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
• Uma vez que a transferência de calor ocorre por meio da camada e da 
parede do molde, os grãos crescem para o interior como agulhas ou 
protuberâncias de metal sólido. 
• À medida que essas protuberâncias crescem, braços laterais são 
formados e, com o crescimento desses braços, adicionais braços se 
formarão perpendicularmente aos primeiros.• Esse tipo de crescimento é referido como crescimento dendrítico, e 
ocorre não somente na solidificação de metais puros, mas também na 
solidificação de ligas metálicas. 
Estrutura de grãos característica de um metal puro fundido, mostrando camada de grãos finos 
aleatoriamente orientados próximo à parede do molde, e grãos colunares grosseiros orientados em direção 
ao centro do fundido.
TEMPO DE SOLIDIFICAÇÃO
• Independente de o fundido ser um metal puro ou liga, a solidificação 
leva um tempo. 
• O tempo total de solidificação é o tempo requerido para, após o 
vazamento, o fundido se solidificar. 
• Esse tempo é dependente do tamanho e da forma do fundido por 
uma equação empírica conhecida como regra de Chvorinov, que 
afirma:
TEMPO DE SOLIDIFICAÇÃO
em que TTS = tempo total de solidificação, min; V = volume do fundido, 
cm3; A = área superficial do fundido, cm2; n = exponencial, sendo 
usualmente utilizado o valor = 2; e Cm é a constante do molde
CONTRÇÃO E SOLIDIFICAÇÃO
• A contração ocorre em três etapas: 
• (1) contração do líquido durante o resfriamento antes da solidificação; 
• (2) contração durante a transformação de fase do líquido para o sólido, 
chamada de contração de solidificação;
• (3) contração térmica do fundido solidificado durante seu resfriamento até 
a temperatura ambiente. 
• O metal fundido imediatamente após o vazamento é mostrado na parte (0) 
da série. 
• A contração do metal líquido, durante o resfriamento, a partir do 
vazamento até a temperatura de solidificação, causa a redução na altura do 
líquido em relação à altura original, como em (1) da figura. 
• O total de contração desse líquido é normalmente em torno de 0,5 %. 
CONTRÇÃO E SOLIDIFICAÇÃO
CONTRÇÃO E SOLIDIFICAÇÃO
• A contração de solidificação, vista na parte (2), tem dois efeitos.
− Primeiro, a contração causa uma redução adicional na altura do fundido. 
− Em segundo lugar, a quantidade de metal líquido disponível para alimentar a 
parte central superior da peça se torna restrita. 
− Essa é usualmente a última região a se solidificar, e a ausência de metal cria 
um vazio no fundido nessa localização. Essa cavidade de contração é chamada 
de rechupe pelos fundidores. 
• Uma vez solidificado, o fundido passa por adicional contração na 
altura e diâmetro, como em (3). 
PROJETO DE MASSALOTES 
• Como descrito anteriormente, um massalote, é utilizado em moldes
de fundição em areia para alimentar a peça com metal líquido
durante a solidificação, de forma a compensar a contração de
solidificação.
• A regra de Chvorinov pode ser empregada para calcular o tamanho do
massalote que satisfaça esse requisito. O exemplo seguinte ilustra
esse cálculo.
EXERCÍCIO
• Um massalote cilíndrico deve ser projetado para um molde de
fundição em areia. A peça fundida é uma placa retangular, em aço,
com dimensões 7,5 × 12,5 × 2,0 (cm). Observações prévias indicaram
que o tempo total de solidificação (TTS) para essa peça = 1,6 min. O
cilindro do massalote deverá ter uma razão diâmetro/altura = 1,0.
Determine as dimensões do massalote para que TTS = 2,0 minutos.
SOLUÇÃO
• Solução: Primeiro, determine a razão V/A para a placa. Seu 
volume V = 7,5 × 12,5 × 2,0 = 187,5 cm3, e sua área superficial A = 
2(7,5 × 12,5 + 7,5 × 2,0 + 12,5 × 2,0) = 267,5 cm2. Considerando 
que TTS = 1,6 minuto, podemos determinar a constante do molde Cm a 
partir da Equação (7.7), com n = 2 na equação.