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FUNDIO: Mercado, Processos e Metalurgia
Gloria de Almeida Soares
ABRIL DE 2000
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DADOS DA AUTORA Professora Adjunta da Escola de Engenharia e da COPPE leciona a
disciplina de Fundio desde 1981, quando foi contratada. Foi tambm
Professora Conferencista dessa disciplina no Instituto Militar de Engenharia em
1983. Obteve seu ttulo de D.Sc. em 1990 com tese que versava sobre Aos
Fundidos para a Indstria Petroqumica. Possui mais de 60 trabalhos publicados e
na rea didtica acumula experincia de ensino como professora de 1o e 3o
grau e como Coordenadora do Curso de Engenharia Metalrgica e de Materiais
da EE, por mais de 4 anos.
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Aos que me garantem energia para viver e lutar:
Cludio, Bruno, Viviane
e Ana Clara.
Aos meus alunos
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PREFCIO Qual o propsito deste caderno didtico? Como responsvel pela disciplina
de Fundio desde 1981, me deparei com a falta de bibliografia adequada.
Existem bons livros em outras lnguas, abordando, entretanto, outras realidades.
Existem boas publicaes a nvel nacional, porm normalmente restritas a
assuntos especficos. Ao longo desses anos fui sentindo cada vez mais a
necessidade de encontrar alguma publicao que preenchesse essa lacuna: dar
uma viso geral do que a fundio, seu mercado e a base da sua tecnologia,
sem entrar pelos inmeros detalhes tcnicos que se tornam, em pouqussimo
tempo, obsoletos. No me considero especialista no tema, mas o
acompanhamento dos alunos a visitas tcnicas, a participao em congressos e
a leitura de revistas especializadas me deu uma certa vivncia do que hoje o
mercado de fundio no Brasil e como ele se confronta com os demais processos
de fabricao.
Assim, sem pretender que este caderno didtico seja definitivo e completo,
me atrevi a passar para o papel um pouco do que eu li e vivi, acreditando que
este trabalho possa ajudar aos alunos - metalrgicos ou no - a vencer de forma
mais tranqila e agradvel esse tema.
Dos eventuais leitores - alunos ou profissionais - espero contribuies no
sentido de corrigir e aperfeioar este trabalho.
a autora
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NDICE
CAPTULO I INTRODUO 01
I.1 - BASE DOS PROCESSOS 01
I.2 - ORGANIZAO DA FUNDIO 02 I.3 - PARQUE BRASILEIRO 03 CAPTULO II FUNDIO EM AREIA 07 II.1 - INTRODUO 07 II.2 - MODELAO 07 II.3 - AREIAS DE MOLDAGEM 16
II.4 - PROCESSOS DE FUNDIO EM AREIA 29
II.5 - MECANIZAO 33 CAPTULO III OUTROS PROCESSOS 38 III.1 - FUNDIO DE PRECISO 39 III.2 - CENTRIFUGAO 42 III.3 - FUNDIO SOB PRESSO 42 III.4 - PROCESSOS HBRIDOS 44 III.5 - CRITRIOS PARA ESCOLHA DO PROCESSO 46 CAPTULO IV TCNICAS DE FUSO 48 IV.1 - FORNOS 48 IV.2 - ROTINAS DE FUSO 62 CAPTULO V SOLIDIFICAO E ALIMENTAO DE PEAS 77 V.1 - SOLIDIFICAO 77 IV.2 - TRANSFERNCIA DE CALOR 81
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IV.3 - SISTEMA DE MASSALOTES 87 IV.4 - SISTEMA DE CANAIS 100 CAPTULO V ACABAMENTO E CONTROLE DE QUALIDADE 108 V.1 - ACABAMENTO E INSPEO 108 V.2 - DEFEITOS 111 V.3 - PROJETO 115 CAPTULO VI BIBLIOGRAFIA 118
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
1
I - INTRODUO
"A fund io no encont ra para le lo com out ros processos de conformao pe lo fa to de que , em mui tos casos, o mtodo mais s imples e econmico e , em outros , o
n ico mtodo tecn icamente v ive l de se obter uma determinada forma s l ida" (V . Kond ik )
Dentre os processos de fabricao, a fundio se destaca por permitir a produo
de peas com grande variedade de formas e tamanhos (ex.: sinos, ncoras, tubulaes,
implantes ortopdicos, bloco de motor, miniaturas); peas de extrema responsabilidade
como as que se destinam industria aeronutica e aeroespacial (palhetas de turbina, por
exemplo) e peas banais (bueiros, bancos de jardim). A produo pode ser unitria (jias,
implantes e peas artsticas) ou seriada, voltada principalmente para as indstrias
mecnica e automobilstica. lgico que toda essa variedade obtida no com um nico
processo e sim escolhendo-se - dentre os processos disponveis - o que melhor se adapta
s exigncias do cliente e produz o lote encomendado com o mnimo custo dentro do
prazo estipulado.
I.1 - BASE DOS PROCESSOS
O metal lquido vazado num molde, cuja cavidade corresponde ao negativo da
pea que se deseja obter. Para se construir um molde em areia necessrio
primeiramente se fabricar o modelo (adaptao do desenho da pea) e os machos, caso existam furos ou partes ocas. Numa primeira abordagem podemos dizer que o modelo
fabricado em madeira e o molde e o macho em areia. Dessa forma, a partir de um
modelo podemos fabricar n moldes, cada molde dando origem a uma pea fundida.
Paralelamente fabricao do molde, o metal convenientemente fundido. Aps
vazamento e solidificao, a pea retirada do molde, com forma prxima final
precisando apenas passar pelas etapas de acabamento: corte de canais; rebarbao;
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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usinagem; tratamento trmico e soldagem (opcionais); controle de qualidade final e
expedio. Mais a frente sero mencionados outros tipos de modelos e de moldes. A
Figura I.1, abaixo, esquematiza as etapas de fabricao de um molde em areia.
Figura I.1 - Etapas para Produo Manual de um Molde em Areia. Fonte: Solidificao e Fundio de Metais e suas Ligas
I.2 - ORGANIZAO DA FUNDIO
Normalmente a fundio se organiza em torno da moldao, pois nesta seo
que se define a quantidade de metal a fundir; machos a produzir, etc. Entretanto, quando
a fundio est trabalhando bem abaixo da sua capacidade instalada o centro organizador
da mesma se desloca da moldao para a seo de fuso. Este procedimento permite
economizar energia, atravs da concentrao da fuso da carga metlica em deter-
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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minados dias da semana, minimizando assim o custo das peas fundidas, alm de au-
mentar a vida dos refratrios. Neste esquema de produo, a fabricao de moldes e
machos feita de forma a atender ao planejamento das sees de fuso e vazamento.
I.3 - PARQUE BRASILEIRO
Na dcada de 70 a produo brasileira de peas fundidas correspondia a,
aproximadamente, 10% da produo brasileira de ao bruto. Entretanto diversas crises,
em especial a crise do petrleo, atingiram em cheio a indstria de fundio que
despencou do patamar histrico de 1,7-1,8 milhes de toneladas/ano para
aproximadamente 1 milho em 1983, auge da crise no Brasil. A partir de ento houve uma
sucesso de retomadas e crises - como mostra o grfico da Figura I.2 - fruto da
instabilidade poltica por que tem passado o Brasil. Somente em 1994 a produo
retomou os valores obtidos em 80 e 86 e o ano de 1999 acabou fechando com uma
produo inferior a 1600 mil ton. de peas acabadas, que corresponde a cerca de 6,3%
da produo de ao bruto.
Ainda assim, a participao brasileira a nvel mundial tem crescido, com o Brasil
ocupando atualmente o 8o lugar, atrs de EUA, CIS, China, Japo, Alemanha, ndia e
Frana. A tendncia internacional de transferir a produo de fundidos para pases do
terceiro mundo, devido ao, relativamente baixo, custo da mo-de-obra e s regras - me-
nos severas - de controle ambiental vigentes nestes pases. Com isto o produtor brasileiro
tem investido pesadamente na exportao, que no ltimo ano ultrapassou as 300 mil to-
neladas e vem representando um grande incentivo melhoria da qualidade de processos
e produtos.
Excludo: 1997
Excludo: de 1.658
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
4
1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 20000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
PR
OD
U
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AN
UA
L (m
il to
n.)
ANO
Figura I.2 - Produo Anual de Peas Fundidas
Fonte: Associao Brasileira de Fundio - ABIFA
Com a perspectiva de crescimento das indstrias automobilstica / ferroviria e a
recuperao dos setores naval e petroqumico, projetou-se - com excesso de otimismo -
para o ano 2001 uma demanda de mais de 2,8 milhes de ton. de peas acabadas, o que
ultrapassa a capacidade instalada atual que de 2 milhes de ton./ano. Para cobrir esse
dficit o setor precisaria de investimentos da ordem de US$ 1.00 / ton. o que geraria cerca
de 30.000 novos empregos diretos.
A produtividade do setor - que cresceu de 20 ton. / homem.ano na dcada de 80
para 35,3 em 1996 e 37,5 em 1997 - est se aproximando dos padres americanos e
japoneses que apresentam produtividade anual superior a 40 ton. por empregado.
Em termos de metal mais produzido, o ferro fundido disparado o primeiro lugar,
respondendo por cerca de 86% do total de peas fundidas, seguido pelos no-ferrosos
(8,7%) e o ao fundido (5,3%). O setor que mais consome fundidos o automobilstico /
autopeas, absorvendo praticamente 50% do mercado, seguido do siderrgico e o de
bens de capital com 15% cada. Assim a ampliao do parque de fundies a nvel in-terno depende substancialmente do reaquecimento da industria automotiva no pas.
Excludo:
Excludo: projeta-se
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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Estima-se a existncia de 1000 empresas instaladas no pas, embora somente 278
sejam filiadas ABIFA. Isto significa que ao lado de importantes e conceituadas
empresas, convive um grande nmero de fundies de fundo de quintal com,
geralmente, administrao familiar e grandes problemas tecnolgicos. Com o incentivo
cada vez maior s exportaes s resta dois caminhos para essas empresas: o
profissionalismo ou a falncia. A Tabela I.1 resume alguns dados desse cadastramento,
classificando as fundies por setor de atuao e capacidade instalada.
TABELA I.1 - RESUMO DO PARQUE BRASILEIRO (1997)
CAP. INSTALADA (ton./ano)
FERROSOS
NO -FERROSOS
MISTAS
at 600 14 51 15 de 601 a 1.200 25 9 13 de1.201 a 6.000 41 8 12
de 6.001 a 12.000 7 1 6 de 12.001 a 24.000 17 2 1 de 24.000 a 36.000 2
(TECUMSEH e DZ S.A.) - 1
(CSN) de 36.001 a 48.000 -- -- 2
(FORD/TAUBAT e COSIPA) de 48.001 a 60.000 -- -- --
acima de 60.000
5 (TUPY; GEN. MOTORS; COFAP;
TEKSID; ANIS WORKSHOP)
-- 1 (METAL. MOGI)
TOTAL 159 75 23 Fonte: Fundio e Matrias Primas (ABIFA)
A produo de peas fundidas comea com a seleo do processo de fundio, o
detalhamento do projeto e a especificao dos materiais. Uma vez que todas essas
etapas tenham sido vencidas, pode-se ento partir para a fabricao de um lote de
peas-teste, que se aprovado dar incio a produo em larga escala.
O fluxograma da Figura I.1 apresenta, de forma esquemtica, as atividades
envolvidas na seqncia de produo de peas fundidas em moldes de areia. Todos
esses assuntos sero abordados nesta apostila - dividida em seis captulos, mas no
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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necessariamente na ordem em que aparecem no fluxograma, uma vez que certos
assuntos pressupem conhecimentos prvios.
Figura I.3 - Fluxograma da Produo de Peas Fundidas Fonte: Solidificao e Fundio de Metais e suas Ligas
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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II- FUNDIO EM AREIA
"O p rocesso de moldagem em are ia a inda o mais empregado dev ido sua versat i l idade e economia"
II.1 - INTRODUO
Este captulo se dedica a discutir os aspectos relacionados com a fabricao de
moldes que utilizam areia como matria prima, enquanto que os demais processos sero
abordados no Captulo III
.
II.2 - MODELAO: Fabricao de Modelos e de Caixas de Macho
A qua l idade da pea fund ida depende, an tes de mais nada da qua l idade e prec iso
com que o modelo fabr icado
A modelao um setor opcional da fundio, uma vez que essa pode contratar
servios de empresa especializada. Isto por que o modelador - ao aliar a capacidade de
trabalhar a madeira e/ou o metal, com o conhecimento da tecnologia de fundio - se
torna um dos profissionais mais caros dentro da fundio. Entretanto, mesmo que a fun-
dio opte por contratar servios de terceiros para a confeco de modelos e de caixas de
macho, necessrio que a mesma disponha de um mnimo de infra-estrutura para
manuteno e reparo desses componentes.
II.1.1 - MATERIAIS
Tradicionalmente so utilizados para modelos e caixas de macho materiais como
madeira (cedro, pinho e compensado, entre outros), metais (alumnio e ao, principal-
mente) e resinas do tipo epxi (podem ser reforadas com p de alumnio, por ex.). Estes
materiais diferem entre si quanto ao acabamento e a durabilidade que conferiro ao mo-
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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delo. O tempo de vida dos mesmos depende da complexidade e do cuidado no armaze-
namento e manuseio, mas - como uma primeira aproximao - pode-se considerar os
valores apresentados na Tabela II.1, para modelos de pequeno porte.
TABELA II.1 - DURABILIDADE MDIA DE MODELOS
Material No de Moldes madeira 200-300 madeira reforada com metal at 2000 alumnio ou resina epxi at 6000 ferro fundido / ao at 100.000
Fonte: Metals Handbook, vol. 15
Normalmente os modelos utilizados so do tipo bipartidos (Figura II.1b) que, em
relao aos modelos inteirios (Figura II.1a) apresentam a vantagem de agilizar a molda-
o, j que o moldador no precisa se preocupar em acertar a posio do modelo com
relao linha divisria das caixas.
Os modelos podem ser macios (Figura II.2a e II.2b), em esqueleto (Figura II.3a),
chapelona (Figura II.3b) ou gabarito (Figura II.3c). Chapelonas so bastante utilizadas na
confeco de peas de grande porte com eixo de revoluo, como sinos (Figura II.4) e
hlices de navios. A opo por modelos e caixas de macho no-macios pode levar a
uma economia de material e de tempo de execuo do modelo, barateando-os.
Outra forma de classificar os modelos se refere ao fato deles serem individuais
(modelos soltos com marcaes de macho e tolerncias, bipartidos ou no) ou placa-mo-
delo - modelos montados em placa, onde so tambm fixados os canais de alimentao -
, sendo este ltimo tipo utilizado principalmente na moldagem mecanizada.
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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Figura II.1 - Modelo Inteirio e Bi-partido
Fonte: Tecnologia de la Fundicion
Figura II.2 - Modelo Macio Fonte: Ibidem
Figura II.3 - Esqueleto (a), Chapelona (b) e Gabarito (c) Fonte: Ibidem
Figura II.4 - Moldagem de um Sino
Fonte: Foundry Engineering
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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II.1.2 - CRITRIOS PARA ESCOLHA DO MATERIAL
Em primeiro lugar preciso saber se o processo de moldagem selecionado apre-
senta alguma exigncia em termos da fabricao do modelo. Por exemplo, o processo
shell (em casca) - por trabalhar com modelo pr-aquecido - exige que o mesmo seja
confeccionado numa liga metlica. Caso no haja restrio quanto ao material do modelo,
a escolha depender basicamente do lote de peas a fabricar, da tolerncia dimensional e
acabamento requeridos para a pea fundida. preciso lembrar que o custo de um (ou
mais) modelo(s) se diluir por todo o lote encomendado e assim a durabilidade do modelo
escolhido deve ser compatvel com o nmero de peas a fabricar. Exemplificando me-
lhor: no caso do processo shell, a exigncia do modelo metlico faz com que o processo
somente seja vivel economicamente para grandes encomendas.
II.1.3 - OBSERVAES NA CONSTRUO DE MODELOS
A. Partio do Molde:
O fato de um dado modelo no apresentar eixo de simetria significa que ele pode
ser posicionado no molde de seis formas diferentes. Da escolha desse posicionamento
em relao ao plano de partio do molde (normalmente horizontal) depende o nmero de
machos a fabricar, a complexidade destes e eventuais rebarbas difceis de se retirar. A
extrao do modelo tambm pode ser dificultada pela m escolha da posio de pea em
relao caixa, como mostra de forma esquemtica as Figura II.5a e II.5b, sendo a II.5c a
posio considerada correta, para o exemplo em questo. Em peas simples costuma-se
fazer coincidir a maior rea projetada com o plano entre caixas.
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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Figura II.5 - Opes de Posicionamento do Modelo no Molde
Fonte: Tecnologia de la Fundicion
B. Sobre-espessura de Usinagem:
O desenho da pea deve indicar o tipo de trabalho mecnico a ser realizado na
superfcie da mesma, furos a serem feitos ps-fundio, etc. e no projeto da pea fundida
deve haver um acrscimo de medidas correspondente ao que ser removido. Superdi-
mensionar o projeto tambm deve ser evitado pois aumenta o custo de acabamento da
pea. Os acrscimos de sobremetal dependem do metal, da espessura da pea e da po-
sio da superfcie: superfcies superiores exigem maior sobremetal, uma vez que diver-
sos defeitos tendem a se posicionar nas cotas superiores do molde. A Tabela II.2 apre-
senta valores tpicos para moldagem em areia verde.
C. Contrao:
Praticamente todos os metais empregados em fundio se contraem durante o
resfriamento. Aps a solidificao da pea esta contrao ser responsvel pela alterao
das medidas originais do projeto, podendo tambm responder pelo trincamento da
mesma. A Tabela II.3 apresenta valores tpicos de contrao no estado slido para vrios
metais.
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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TABELA II.2 - SOBREMETAL PARA USINAGEM
Espessura aproximada da pea
Acrscimo mdio na superfcie do modelo (mm)
(mm) Ao ferro fundido no-ferrosos at 150 3,2 2,4 1,6 de 150 a 300 4,8 3,2 1,6 de300 a 500 6,4 4,0 2,4 de 500 a 900 6,4 4,8 3,2 de 900 a 1500 6,4 4,8 3,2
Fonte: Metals Handbook, vol. 15
Assim o dimensionamento do modelo deve considerar que haver contrao e a
forma mais simples de fazer isto empregar rguas mtricas corrigidas - uma para cada
tipo de metal -, supondo que a contrao seja linear (na verdade volumtrica e depende
de diversos fatores como temperatura do metal, restrio contrao, etc.). Isto, a
princpio, no garante que as dimenses finais da pea estaro dentro das especificaes
de projeto. Entretanto, para cada lote encomendado, costuma-se fundir primeiro duas ou
trs peas para, entre outros aspectos, proceder anlise dimensional e corrigir o mo-
delo, se for o caso.
TABELA II.3 - VALORES TPICOS DE CONTRAO DOS METAIS
Metal % linear ao 2,0
ferro fundido 0,5-1,0 ferro nodular 0,8
alumnio 1,7 lato 1,3-1,6 zinco 2,6
Fonte: Padres de Fabricao para Aos Fundidos
D. ngulo de Sada:
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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o angulo de 1 a 2 utilizado na fabricao do modelo de forma a permitir sua ex-
trao do molde sem danific-lo, como esquematizado na Figura II.6. Dada a
necessidade do modelo ser extrado de dentro do molde recorre-se - s vezes - a caixas
com 3 ou mais andares, a modelos com partes desmontveis ou utilizao de machos
de parede.
E. Pintura:
O modelo e a caixa de macho costumam ser pintados para proteger a superfcie
dos mesmos da eroso pela areia, sendo que as cores empregadas obedecem a um c-
digo pr-estabelecido: vermelho (ferro fundido); azul (ao); verde (alumnio); amarelo
(cobre) e preto (para marcao de macho).
Figura II.6 - ngulo de Sada () Fonte: Tecnologia de la Fundicion
F. Utilizao de Materiais Diversos:
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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bastante comum o emprego de mais de um material na confeco de modelos e
de caixas de macho. Como exemplo podemos citar a utilizao do alumnio e da resina
epxi como reforo de modelos em madeira em reas onde o desgaste mais acentu-
ado. Tambm possvel adicionar ps metlicos s resinas, formando um compsito de
maior resistncia.
G. Nmero de Peas por Molde:
As caixas de moldagem tem tamanhos variados e a forma de se aumentar o ren-
dimento metlico colocar numa caixa o maior nmero possvel de modelos. Com isto se
economiza areia e metal j que um canal de alimentao servir a vrias peas. Assim
quando se diz que um modelo d origem a uma pea, entenda-se que normalmente se
est pensando num conjunto de modelos que daro origem a um molde e, assim, a vrias
peas. No caso de fundio de preciso, que de maneira geral se destina a fabricar pe-
as de pequeno porte pode-se ter um modelo composto de at uma centena de modelos
individuais.
II.1.4 - MANUTENO E ESTOCAGEM
Deve ser tomado todo o cuidado com os modelos e caixas de macho durante o
armazenamento e manuseio pois a madeira dada a empenos e a ser atacada por cu-
pins. Os modelos metlicos tambm podem sofrer com a ao do tempo se no forem
convenientemente estocados. Estes componentes recebem um nmero de identificao
que permite sua recuperao e adaptao para novos empregos. Ocasionalmente o cli-
ente possuidor do seu modelo, cabendo fundio unicamente produzir o molde e va-
zar o metal, mas esta pratica no aconselhvel pois o projeto de fabricao dos mode-
los e das caixas de macho depende do projeto da pea fundida como um todo.
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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II.1.5 - PROTOTIPAGEM
Algumas modelaes e grandes fundies j esto utilizando a fabricao de pro-
ttipos como forma de avaliar - de forma rpida - detalhes construtivos dos modelos e
matrizes. A prototipagem rpida - que produz objetos slidos a partir da informao tri-
dimensional proveniente de um sistema CAD - foi desenvolvida no final da dcada de 80
com o processo de estereolitografia que consiste na solidificao de uma resina foto-
sensvel por um raio laser de luz ultra-violeta. Mais recentemente foram desenvolvidos
novos mtodos como o Modelamento Multijateado que funciona como uma impressora
tridimensional utilizando resina no lugar de tinta, sendo que o cabeote deposita material
camada a camada. Algumas mquinas trabalham tambm com extruso de plsticos do
tipo ABS.
A prototipagem - que est sendo empregada tambm na prpria concepo da
pea fundida - ainda encontra resistncia entre usurios dado ao elevado custo desta
tecnologia e restries quanto ao tamanho do prottipo e necessidade de pessoal es-
pecializado em informtica. No entanto erros de projeto podem ser evitados e como o
tempo de fabricao de um prottipo bastante inferior ao de produo do ferramental
definitivo, a economia pode ser significativa, compensando o investimento inicial.
II.3 - AREIAS DE MOLDAGEM
Are ias e ag lomerantes devem ser c r i te r iosamente esco lh idos para garant i r a
reprodut ib i l idade das propr iedades dos mo ldes
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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Areia de Moldagem um sistema heterogneo constitudo essencialmente de um
elemento granular refratrio (normalmente areia silicosa), um - ou mais - aglomerantes e
um plastificante (gua). Alternativamente a gua pode ser suprimida se o aglomerante
utilizado for lquido.
A areia de moldagem deve apresentar elevada refratariedade, boa resistncia me-
cnica, permeabilidade adequada e plasticidade (ou moldabilidade). J da areia desti-
nada fabricao de machos espera-se, alm dos requisitos exigidos para a areia de
moldagem, boa colapsibilidade, definida como a perda de resistncia da areia aps o in-
cio da solidificao da pea.
II.3.1 - CLASSIFICAO
quanto origem: natural; semi-sinttica ou sinttica. Apesar de j estar "pronta" a areia natural tem sido pouco utilizada dada as suas baixas propriedades.
quanto ao uso: nova ou reciclada. Fundio de areia-verde que trabalhe basicamente com areia usada (reciclada) utiliza cerca de 10% de areia nova para recompor as per-
das durante a reciclagem e manter as propriedades da areia estveis. Na areia reci-
clada so adicionadas tambm pequenas quantidades de aglomerantes e gua.
quanto ao emprego: areia de moldagem (faceamento ou enchimento) e areia de ma-cho.
quanto ao estado de umidade: mida (verde) ou seca (estufada).
II.3.2 - COMPONENTES
A. Areia-base:
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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A areia-base uma areia refratria, normalmente silicosa, sendo que se for origi-
nria de areia de praia deve ser lavada previamente para retirada dos sais. A composio
qumica da areia-base afeta a dilatao trmica da areia, a reatividade com o metal fun-
dido mas, principalmente, a refratariedade do molde. Essa ltima propriedade particu-
larmente importante na fundio de ao.
A granulometria da areia-base afeta a permeabilidade da areia e a penetrao
metlica. Considerando que a distribuio dos gros seja relativamente estreita, quanto
maior for o dimetro desses mais permevel ser a areia (isso bom pois facilita o esco-
amento dos gases) porm maior ser a penetrao metlica, implicando num acabamento
"pobre".
Assim existe um compromisso entre estes dois aspectos e a deciso depender do
metal em questo: ligas de alumnio e magnsio so extremamente fludas sendo neces-
srio se utilizar areias finas para minimizar a penetrao metlica. J ferrosos tendem a
gerar gases, optando-se por areias mais grossas, ou seja, mais permeveis. A Tabela II.4
apresenta a faixa de granulometria adequada a esses materiais.
TABELA II.4 - NDICE DE FINURA RECOMENDADO
Metal IF (AFS) ao fundido 50-90 ferro fundido 80-130 no-ferrosos 90-160
Fonte: Processos Shell: Materiais e Tecnologia
O formato dos gros de areia podem variar de redondos a angulares, passando
pelos semi-angulares. No h um consenso quanto a geometria ideal para os gros,
com uma leve tendncia de preferncia para os gros angulares que promovem uma
melhor amarrao dos moldes, ou seja, um molde mais denso e menos permevel.
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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B. Aglomerantes:
So materiais que envolvendo e ligando entre si os gros conferem areia, aps
compactao, secagem ou reao qumica, as caractersticas necessrias ao processo
de moldagem, isto , resistncia s solicitaes dinmicas, estticas e trmicas provoca-
das pelo metal fundido. Para um dado aglomerante, com o aumento do seu teor aumenta
a resistncia e a dureza da areia e diminui a permeabilidade, conforme esquematizado
na Figura II.7 para areia aglomerada com leo. Os aglomerantes se subdividem em
aglomerantes inorgnicos, orgnicos e sintticos.
aglomerantes inorgnicos: a resistncia atingida atravs da socagem, sendo que essas substncias tendem a sinterizar quando em contato com o metal fundido, o que
dificulta a desmoldagem. So eles: argila; bentonita - que um tipo de argila com
maior poder aglomerante - e cimento. Argila e/ou bentonita so os aglomerantes
clssicos das areias verdes reciclveis, enquanto que o cimento - devido baixssima
colapsibilidade - praticamente no mais utilizado.
Figura II.7 - Variao da Resistncia e Permeabilidade com a Composio da Areia Fonte: Foundry Technology
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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aglomerantes orgnicos: a resistncia atingida atravs de uma leve socagem se-guida de uma secagem do molde ou macho - j prontos - em estufa, sendo que a re-
sistncia final pode ser superior alcanada com aglomerantes inorgnicos. Como
vantagem adicional apresenta tambm boa colapsibilidade. Com o advento das resi-
nas os aglomerantes orgnicos naturais cairam em desuso. Exemplos: accares; me-
lao de cana; amido de milho (maizena); leos; etc.
aglomerantes sintticos: Existem basicamente duas classes de resinas: as termoendu-recveis (polimerizam pela ao do calor) e as autoendurecveis (ou de cura a frio). A
utilizao de resinas como aglomerante cresce dia a dia, pois conferem excelente re-
sistncia aliada a uma boa colapsibilidade e capacidade de se fabricar sees finas,
compensando o elevado custo desse insumo. Assim, os fundidores dispem hoje de
uma enorme gama de resinas e catalisadores para os mais diversos fins. Um desafio
que persiste a reduo da toxidez dessas substncias.
II.3.3. - AREIAS NO-SILICOSAS, ADITIVOS E TINTAS
A. Areias No-silicosas:
A opo por uma areia-base no-silicosa parte da constatao de que a areia sili-
cosa apresenta - quando comparada com outras composies - inmeras desvantagens
como elevada expanso volumtrica (Figura II.8) e elevada reatividade com o metal
fundido. Entretanto, pelo menos em pases como o Brasil - com imensas reservas de
areia silicosa e grande litoral - fica mais barato se contornar os problemas advindos da
utilizao de areia silicosa do que substitui-la. Das areias no-silicosas podemos citar a
zirconita, que seria a areia ideal em termos de propriedades, no fosse pelo alto custo, e
a de cromita que apresenta maior capacidade de extrao de calor do que a areia
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comum. Devido a essa caracterstica, algumas vezes, a areia de cromita empregada
como areia de faceamento, quando se pretende acelerar a solidificao.
Figura II.8 - Variao Volumtrica de Diversos Tipos de Areia Fonte: Ibidem
Existem duas formas - no-excludentes - de se minimizar os defeitos decorrentes
da utilizao de areia silicosa: atravs do emprego de aditivos e pela pintura de moldes e
machos.
B. Aditivos:
So substncias que misturadas areia de moldagem, em teores inferiores a 1%,
modificam suas propriedades, minimizando certos tipos de defeitos.
Exemplo 1: A areia silicosa se expande quando exposta a temperaturas da ordem
de 500C - Figura II.8 - o que pode dar origem a defeitos de expanso. Assim, um aditivo que pretenda minimizar este defeito deve ser queimado para deixar espao para a ex-
panso da areia. Para este fim pode-se adicionar areia serragem, p de madeira ou
qualquer outro componente orgnico.
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Exemplo 2: A areia silicosa muito reativa com o metal fundido, em especial com o
ferro fundido, comprometendo o acabamento da pea. A reao metal-areia se d a partir
da reao do xido metlico com a slica. Assim, um aditivo que gere atmosfera redutora
minimiza a oxidao do metal, melhorando o acabamento do fundido. Para tal costuma-
se adicionar areia de ferrosos p ou moinha de carvo (Carvo Cardiff), conferindo
areia a cor preta caracterstica. Para ligas de magnsio, adiciona-se p de enxofre
areia.
C. Tintas:
A principal funo de uma tinta a criao de uma camada intermediria entre
areia e metal, visando conferir um bom acabamento ao molde ou macho e, por conse-
guinte, pea. A tinta constituda de uma substncia refratria (grafite ou zirconita),
uma substncia aglomerante (bentonita, por ex.) e um solvente (gua ou lcool). A pintura
pode ser feita por pincel, pistola ou imerso, sendo imprescindvel que a camada aplicada
seja fina e que o solvente seja totalmente evaporado por ocasio da queima da tinta,
evitando que a tinta seja mais uma fonte de defeito na pea fundida.
II.3.4 - ENSAIOS E CONTROLE DAS AREIAS DE MOLDAGEM
Quando se trabalha com areias reciclveis (areia-verde) importante monitorar pe-
riodicamente propriedades da areia como resistncia, permeabilidade e teor de umidade,
o que significa ter um controle sobre a qualidade dos moldes produzidos. Esses re-
sultados devem ser registrados graficamente para serem consultados quando da ocor-
rncia de defeitos em determinados lotes de peas.
Para medir a resistncia da areia utilizam-se equipamentos com acionamento hi-
drulico e mltiplas opes de ensaios. Normalmente possvel se medir resistncia
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compresso (usual); resistncia trao (para areias com elevada resistncia); resistn-
cia ao cizalhamento e flexo (mais importante para machos). Com o equipamento de-
nominado permemetro mede-se a permeabilidade da areia, que dada pela quantidade
de ar que atravessa longitudinalmente um corpo de prova padro. Atualmente j existem
disponveis no mercado equipamentos compactos - como o mostrado na Figura II.9 -
onde, aps a colocao da areia a ser testada, o corpo de prova compactado e sub-
metido a mltiplos testes como ensaios mecnicos diversos e teste de permeabilidade,
entre outros.
J a medida da umidade da areia pode ser determinada atravs da perda de
massa decorrente da secagem - em estufa ou secador - de uma dada quantidade de
areia. Para areias com ligantes orgnicos que poderiam ser evaporados juntamente com
a gua, pode-se usar o mtodo a frio que consiste na reao da gua com Carbureto de
Clcio, gerando gs acetileno. Assim, a quantidade e gs formado proporcional umi-
dade da areia e existem dispositivos que indicam esse valor automaticamente.
Figura II.9 - Equipamento Multi-Teste para Areias Fonte: Catlogo George Fischer
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Outros ensaios gerais (anlise granulomtrica da areia, teor de argila da areia
base) ou especficos (como fluidez da resina, por exemplo) tambm podem ser realiza-
dos.
Normalmente a areia-base comprada vem acompanhada da composio qumica
mdia e da anlise granulomtrica. A granulometria dada pelo ndice de Finura (IF) que
corresponde mdia ponderada da massa retida em cada uma das peneiras de uma s-
rie padro. Normalmente se utiliza a srie da AFS (American Foundrymens Society) e a
escolha do I.F. depende do metal a ser fundido, como mostrado na Tabela II.4.
II.3.5 - RECICLAGEM E RECUPERAO DE AREIAS DE MOLDAGEM
A. Reciclagem:
A areia de moldagem a ser reciclada precisa passar por determinadas etapas an-tes de ser empregada novamente. Isto por que aps a desmoldagem a areia se encontra
quente, com torres e partculas metlicas. Assim, a fundio que opte por trabalhar com
areia-verde deve possuir instalao de reciclagem da areia, visando a reutilizao desta.
Para isso so necessrios equipamentos de transporte (correias, elevadores, etc.), de
armazenamento (silos), peneiras (para eliminar parte dos finos e torres), separadores
magnticos (para separar partculas ferrosas), etc.
A instalao de Reciclagem pode variar quanto sofisticao maior ou menor dos
equipamentos (por. ex. a desmoldagem pode ser manual - com marreta - ou feita em
desmoldadores vibratrios) e no layout, dependendo do p direito e da rea fsica
disponvel. A Figura II.10 mostra um fluxograma das etapas principais constantes de uma
planta de reciclagem de areia. A etapa de resfriamento de areia importante,
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principalmente, em fundio de ao, pois a cada reciclagem a temperatura da areia vai se
elevando.
Ao fim dessas etapas preciso se adicionar gua (para recuperar a umidade ini-
cial) e, s vezes, aglomerantes, o que feito no misturador. A Figura II.11 mostra uma
foto do misturador Simpson que funciona com duas ms e duas ps e na Figura II.12 so
apresentadas fotos de outros dois tipos de misturadores. Esses equipamentos so utili-
zados tambm no preparo de diversas composies de areias, como areia-silicato, areia-
resina, etc. No caso de areias ligadas com resinas de cura a frio a preferncia deve re-
cair sobre misturadores contnuos, cuja capacidade seja compatvel com a necessidade
de areia, j que essa composio no pode ser estocada. A preparao de areias shell
mais complexa: assim a maior parte das fundies opta por comprar a mistura - normal-
mente denominada de areia coberta - j pronta.
Figura II.10 - Etapas da Reciclagem de Areias
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Figura II.11 - Misturador Simpson para Areia de Moldagem Fonte: Foundry Technology
Figura II.12 - Misturador: (a) de Ms Horizontais - Catlogo Kttner do Brasil e (b) tipo Turbina - Catlogo George Fischer
B. Recuperao:
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Aps um nmero no-determinado de reciclagens a areia pode se encontrar es-gotada. Isto observado atravs do acompanhamento das propriedades da areia, que
tendem a apresentar uma baixa na refratrariedade e na permeabilidade. A refratariedade
decai em decorrncia da formao de camadas sucessivas de aglomerantes ao redor dos
gros de slica, enquanto que a produo excessiva de finos gerados no socamento do
molde e no removidos durante a reciclagem da areia faz decrescer a permeabilidade.
Neste momento deve-se optar por trocar toda a areia ou proceder recuperao da
mesma.
O processo de recuperao de areia tambm pode ser adotado para areias no-
reciclveis e consiste em se retirar a camada aglomerante que envolve os gros da areia
e proceder a uma classificao da mesma. Aps estas operaes a areia considerada
praticamente nova, sendo que o ndice de recuperao varia de 50% (processo seco) a
praticamente 100% (processo mido + trmico).
O processo mais simples e barato consiste na retirada do aglomerante, a seco, por
atrito entre os gros, usando-se britador ou clulas pneumticas. O processo mido re-
sulta num rendimento mais elevado, mas o gasto energtico muito alto e a gua tem
que ser tratada antes do descarte. Por exemplo uma instalao para recuperao de areia
de silicato com capacidade de 5 ton./h consome 680 litros de gua/min. Em areias com
resinas ou aglomerantes orgnicos pode se usar o processo trmico normalmente em
combinao com o processo seco ou mido. A calcinao da areia feita entre 800 e
1000C em fornos rotativos - forno com 1m de dimetro e 4 m de altura pode recuperar 1 ton./h - ou leito fluidizado.
Um fator limitante ao emprego de processos de recuperao de areias que areias
de diferentes composies no podem ser tratadas em conjunto e os "pacotes" de
equipamentos para recuperao so caros. Alm disso, o baixo custo da areia nova no
Brasil contribui para a no-disseminao desses procedimentos. Na prtica o que algu-
mas fundies tem feito a recuperao de alguns tipos de areia atravs de solues ca-
seiras, isto , utilizando fornos ou pequenos britadores desativados.
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O tratamento conjunto de areias de diferentes fundies poderia ser um caminho
para viabilizar a recuperao dessas areias. Isto seria possvel com a criao de plos -
existe um em funcionamento em So Paulo e o projeto de um para o Rio de Janeiro. As-
sim as empresas participantes do plo poderiam no s recuperar a areia de forma eco-
nmica, como tambm repartir custos de laboratrios (anlise qumica e ensaios) e cen-
tralizar compras de matrias primas.
Como mais uma opo s areias de fundio que no tenham sido recicladas ou
recuperadas existe a possibilidade de utiliz-las em novas aplicaes, como na produo
de concreto, tijolos e asfalto. Devido ao alto custo do descarte de areia que varia de US$
20.00 a U$ 100.00 por ton., em funo do tamanho da fundio e de sua localizao -
custos estes que tendero a crescer com as novas normas de proteo ambiental - v-
rias empresas esto comeando a encarar a areia de fundio como matria prima ao in-
vs de simples descarte.
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II.4 - PROCESSOS DE FUNDIO EM AREIA
Em ordem crescente de qua l idade do molde ou macho - def in ida como
res is tnc ia e levada a l iada capac idade de obteno de sees f inas - temos: are ia-verde; s i l ica to de sd io ; a re ia- res ina e she l l
II.4.1 - DESCRIO DOS PROCESSOS MAIS EMPREGADOS
A. Areia-Verde:
Processo bastante empregado por ser simples, verstil e barato; trabalha com
areia reciclvel e moldagem manual (Figura I.1) ou mecanizada. Entretanto a resistncia
final no muito elevada, sendo considerado um molde no-rgido, isto , capaz de ceder
sob a presso do metal. Na prtica isto significa trabalhar com maior sobremetal para
acabamento, como forma de garantir as dimenses previstas no projeto e massalotes de
maior dimetro para se evitar os rechupes.
B. Silicato / CO2 :
O macho ou molde confeccionado com uma areia contendo silicato de sdio como
aglomerante em seguida submetido a uma gasagem com CO2 . A resistncia final de-
pende do mdulo do silicato - relao SiO2:Na2O -, do tempo de gasagem e do tempo de
estocagem, sendo que para melhorar a colapsibilidade so adicionados aditivos orgni-
cos - tais como serragem - areia de moldagem . A Figura II.13a mostra como a resis-
tncia do componente - macho ou molde - varia com o tempo de gasagem e a relao
SiO2:Na2O e na Figura II.13b pode ser observada a evoluo da resistncia com o tempo
de estocagem, para um silicato com mdulo igual a 2. Como normalmente os machos
so estocados por um ou mais dias, preciso levar esse tempo em conta quando da ga-
Excludo: temos:
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sagem, a fim de evitar que ocorra queda na resistncia durante o armazenamento dos
mesmos.
Figura II.13a - Variao da Resistncia da Areia com o Mdulo do Silicato e o Tempo
de Gasagem Fonte: Liquid Carbonic
Figura II.13b - Variao da Resistncia da Areia com o Tempo de Gasagem e de
Estocagem Fonte: Ibidem
C. Areia-resina:
Esse grupo engloba a utilizao - como aglomerante - de diversos tipo de resinas de cura a frio, em processos denominados Cura a Frio e Cold Box (ou Caixa Fria). O
tempo de cura e a resistncia final dependem da quantidade de resina (de 1 a 2% e do
tipo e quantidade do catalisador (de 20 a 40% do peso de resina). No caso do processo
Cold Box o catalisador bsico do tipo amina pulverizado junto a um gs de arraste, po-
limerizando a resina. Esses processos por dispensarem estufagem e longos tempos de
secagem praticamente desativaram processos antigos como areia-seca, areia-cimento,
entre outros. Apesar do custo elevado da resina e da possibilidade de algumas gerarem
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gases nocivos pea e sade do moldador, a qualidade e a rapidez de obteno dos
moldes ampliou a demanda por machos e moldes obtidos a partir desses processos.
D. Shell moulding (moldagem em casca):
Como resposta aos requisitos crescentes de qualidade tem havido expanso da
utilizao desse processo. Como exemplo podemos citar a produo de fundidos em ferro
nodular em substituio a peas de ao fundido ou forjado, com custo menor. Tambm
muitas das peas fabricadas originalmente em areia-verde so atualmente produzidas
pelo processo shell.
A forma mais simples consiste na fabricao de partes do molde com auxlio de re-
cipiente basculante, sob ao da gravidade, como esquematizado na Figura II.14. Neste
caso a placa modelo aquecida (a) e posicionada sobre o reservatrio (b). Com o bas-
culamento do conjunto (c) a casca formada - a espessura desta depende do tempo de
contacto e da temperatura da placa - sendo o conjunto novamente basculado (d). Resta
ainda o aquecimento da casca para completar a cura (e) e a ejeo da mesma (f).
Todas essas etapas so geralmente mecanizadas, adequando o processo pro-
duo de peas seriadas. A Figura II.15 mostra um molde (aberto) para produo simult-
nea de 4 peas. Cada molde composto de duas placas (cascas), normalmente verticais
que so acondicionados em caixas preenchidas com areia ou granalha de ao para sus-
tentao dos moldes. Existe uma limitao de peso do fundido, em funo da resistncia
da casca e devido ao alto custo da placa-modelo, o processo s se viabiliza para lotes
superiores a 1000 peas.
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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Figura II. 14 - Produo de Moldes Shell em Mquinas de Moldar com
Reservatrio Basculante por Ao da Gravidade Fonte: Processo Shell: Materiais e Tecnologia
Figura II.15 - Molde Shell Aberto Fonte: Foundry Technology
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II.5 - MECANIZAO
"Como a fund io organ iza sua produo de moldes e machos?"
Por que se compacta a areia? No processo areia-verde a resistncia do molde
atingida unicamente atravs da socagem. Assim, a socagem tem como objetivo aumentar
a densidade aparente da areia, at valores da ordem de 1,6 g/cm3, fazendo com que a
resistncia e a permeabilidade do molde sejam adequadas (Figura II.16). Nos demais
processos, nos quais a resistncia atingida atravs de reaes qumicas, a socagem,
feita, apenas, com o intuito de garantir a conformao de todos os detalhes do modelo.
Figura II.16 - Variao da Resistncia e Permeabilidade do Molde com sua Densidade Fonte: Ibidem
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Normalmente a fundio subdivide sua produo em trs grupos fisicamente dis-
tintos:
GRUPO 1 - moldagem manual de pequenos lotes: um nmero reduzido de peas en-comendadas pode inviabilizar a fabricao de placas-modelo, justificando a moldao
manual.
GRUPO 2 - moldagem mecanizada e/ou automatizada: em fundio com trabalho seri-ado a maior parte da carteira" da mesma deve estar enquadrada nesta categoria, dada
alta produtividade alcanada pelas mquinas compactadoras.
GRUPO 3 - moldagem de grandes peas: peas de grande porte, normalmente em en-comendas unitrias, no podem ser produzidas atravs das mquinas de moldar con-
vencionais por extrapolar suas capacidades. Assim a moldagem se far manualmente
ou com auxlio de mquinas de projeo centrfuga, com capacidade de compactar de
200 a 500 kg de areia/min (Figura II.17).
Figura II.17 - Compactao por Projeo Centrfuga
Fonte: Foundry Engineering
Na compactao mecanizada convencional - grupo 2 - temos os seguintes tipos de
mquinas: impacto; compresso e impacto + compresso. Quase todas as fundies
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trabalham com mquinas do tipo impacto + compresso (Figura II.18), com vistas a
equalizar a densidade, e por conseguinte a dureza da areia, embora j sejam produzidas
mquinas do tipo alto impacto, em que a compactao atingida numa nica operao de
apenas 0,2 segundos, com resultado uniforme.
Figura II.18 - Mquina de Socamento por Impacto e Compresso
Fonte: Solidificao e Fundio de Metais e suas Ligas
No caso mais comum da fundio trabalhar com placas-modelo simples (de uma
face) aloca-se duas mquinas para cada linha de produo, quando uma produz caixas
inferiores e a outra produz caixas superiores. Aps a compactao, a caixa inferior
invertida, o macho nela colocado e a caixa superior entra fechando o conjunto, como
esquematizado na Figura II. 19 . possvel se trabalhar com uma mquina por linha, mas
neste caso a placa-modelo deve ser do tipo duas faces e o manuseio das caixas fica mais
difcil.
Linhas automatizadas para a confeco de moldes podem ser empregadas em
fundies que trabalham com elevada capacidade de produo. Nesses sistemas, prati-
camente todas as operaes podem ser realizadas automaticamente, alcanando produ-
tividade de at 150 moldes/hora, para moldes pequenos.
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Figura II. 19 - Linha de Moldagem em Paralelo
Fonte: Foundry Technology
J na fabricao de machos, existe a opo de se adaptar mquinas de moldar
produo de machos ou, melhor ainda, investir em mquinas especialmente projetadas
para a fabricao de machos. Neste caso a areia soprada diretamente nas caixas, em
mquinas com capacidade de sopro de at 36 kg e elevada produtividade; trabalham com
areias de diversas composies, sendo que a gasagem pode ser feita na prpria
mquina. A Figura II.20 mostra uma mquina de sopro para a produo de machos de
at 5 kg cada e ciclo de 20 s., sendo que na Figura II.21 est esquematizado o ciclo de
fechamento da caixa (1); sopro de areia (2); gasagem (3); abertura da caixa (4); retirada
do macho (5) e por fim limpeza da caixa (6). Dependendo do peso individual do macho, a
cada ciclo podem ser produzidos 4 ou mais machos.
Dos processos de fabricao de machos os mais utilizados tem sido o silicato/CO2,
areia-resina e o shell moulding, que conferem, em ordem crescente , maior resistncia,
maior capacidade de obteno de sees finas e geram machos mais caros. Assim,
machos mais complexos e de paredes finas so normalmente produzidos por shell
moulding.
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Figura II.20 - Mquina de Soprar Machos
Fonte: Catlogo Mecnica Industrial Vick Ltda
Figura II.21- Ciclo de Fabricao de um Macho
Fonte:Catlogo Loramendi S.A.
III - OUTROS PROCESSOS
"Os processos de moldagem competem ent re s i e com os demais p rocessos de fabr icao"
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Os processos discutidos no Captulo anterior se enquadram no grupo modelo no-
perecvel em molde perecvel apresentados na Tabela III.1 abaixo. Isto significa que o
modelo apresenta um tempo de vida que depende do material empregado na sua
fabricao, enquanto que a forma do molde perdida aps cada vazamento, podendo o
material com que confeccionado o molde ser - ou no - reaproveitado. Esse grupo pode
ser considerado o principal, uma vez que - dada a sua versatilidade e baixo custo -
responde pela maior parte da tonelagem de peas produzidas.
Os demais processos listados nessa Tabela so mais - ou menos - intensamente
utilizados em funo das caractersticas que conferem s peas e ao aporte de tecnolo-
gia envolvido. Em seguida so dadas algumas caractersticas dos processos mais difun-
didos e dos processos que conjugam fundio e forjamento.
TABELA III.1 - PRINCIPAIS PROCESSOS DE MOLDAGEM
GRUPO PROCESSO MODELO MOLDE LIGAS modelo e molde microfuso cera ou plstico pasta cermica quaisquer
perecveis molde cheio poliestireno areia fluida quaisquer
modelo no-perecvel; molde perecvel
areia-verde silicato
areia-resina shell
metlico (shell); madeira, epxi ou metlico (para os
demais)
areia + aglome-rantes + aditivos
+ gua (opcional)
quaisquer
modelo no-perecvel; molde semi-perma-
nente
grafite gesso
borracha
madeira ou epxi
grafite gesso
borracha
ligas no-ferrosas
molde perma-nente
dispensvel
metal (coquilha)
quaisquer, menos ao
molde permanente centrifugao no existe metlico quaisquer sob-presso dispensvel metal (matriz) Zn, Al e Mg
Fonte: Fundamentals of Metal Casting (adaptao)
III.1 - FUNDIO DE PRECISO (MICROFUSO)
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Este processo uma adaptao - relativamente recente - do processo "cera
perdida" utilizado desde a antigidade, na produo de jias e utenslios domsticos,
apresentando como grande vantagem a liberdade de formas, excelente acabamento e
estreita tolerncia dimensional. Em sua vertente artstica, a partir da escultura feita em
barro confeccionado um modelo em cera. Este recoberto com gesso e bandagens,
sendo que durante a secagem do molde a cera derretida, deixando a cavidade livre para
preenchimento pelo metal.
Dos processos de fundio, este um dos que possui maior aporte tecnolgico,
competindo com produtos usinados ou conformados a partir de ps. As etapas: fabricao
do modelo em cera; revestimento do modelo; estufagem (100 a 120C por 24 a 48 h);
calcinao do modelo (650 a 1000C por 12 horas) esto esquematizadas na Figura III.1.
Por esse processo so produzidas palhetas de turbina, componentes de armas e prte-
ses, entre outros. Os principais metais empregados so: aos, aos especiais e ligas de
nquel e de titnio.
O molde produzido a partir do revestimento do modelo com lamas cermicas de
elevada refratariedade. Devido baixa permeabilidade desses moldes foi desenvolvido o
vazamento CLA (Counter-gravity Low-pressure Casting) que consiste na suco do metal
atravs da diminuio da presso ao redor do molde, como esquematizado na Figura
III.2. Alm de garantir um melhor preenchimento das sees finas, com esse mtodo os
canais so reduzidos a uma seo mnima do canal de ataque, j que o restante - ainda
no solidificado - retorna panela.
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Figura III.1 - Etapas para Obteno de uma Pea Microfundida
Fonte: Catlogo Fupresa-Hitchiner
Figura III.2- Comparao do Vazamento Convencional e CLA Fonte: Catlogo Fupresa-Hitchiner
No caso especfico de fabricao de palhetas de turbina esse o nico processo
de fabricao indicado dada a geometria, espessuras e o acabamento requeridos para
esses componentes. Alm disso o desenvolvimento de ligas metlicas para aplicaes
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em altas temperaturas evoluiu no sentido de se passar da solidificao convencional para
a solidificao direcional (obtendo-se gros colunares) e mais recentemente para a
produo de palhetas em monocristal, maximizando a resistncia fluncia.
A Figura III.3 mostra o molde cermico j pronto e as palhetas aps a remoo do
mesmo. Para garantir a formao de gros colunares o conjunto molde-metal aquecido
e depois resfriado direcionalmente. J para a obteno dos monocristais colocado uma
constrico no molde de forma a somente um cristal ultrapassar essa barreira, como es-
quematizado na Figura III.4
.
Figura III.3 - Molde para Fabricao de
Quatro Palhetas de Turbina Fonte: Heat Treatment, Structure and
Properties of Nonferrous Alloys
Figura III.4 - Solidificao de uma Palheta em
Monocristal Fonte: Ibidem
III.2 - CENTRIFUGAO
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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Atravs desse processo se produz tubos de ferro fundido nodular para transporte
de gua e esgoto, sem costura, com elevada produtividade (cerca de 100 tubos/ hora). O
tubo obtido a partir do vazamento do metal num molde (cilindro oco) que gira de 400 a
2000 rpm. A fora centrfuga decorrente suficiente para que o metal no s no
escorra, como para garantir uma macroestrutura colunar praticamente livre de defeitos.
Outra aplicao a fabricao por centrifugao de tubos (para indstria petroqumica) e
cilindros (para laminadores, com dupla camada e cerca de 9 ton. cada, aps usinagem).
Na rea de no-ferrosos, a centrifugao tambm bastante empregada para a produo
de buchas e mancais em ligas de cobre. A Figura III.5 mostra o vazamento de um tubo,
segundo o mtodo - De Lavaud - utilizado pela Cia Metalrgica Barbar para a fabricao
de tubos de ferro nodular.
Figura III.5 - Produo de Tubos sem Costura por Centrifugao Fonte: Foundry Technology
III.3 - FUNDIO SOB PRESSO
O processo de injeo de metal sob presso e o de injeo de polmeros so si-
milares, mas devido ao desgaste acentuado das matrizes metlicas, a injeo de metais
fica restrita aos no-ferrosos de baixo ponto de fuso, principalmente ligas de alumnio e
ligas de zinco. O acabamento das peas excelente e o limite de peso dado pela
capacidade de fechamento da mquina que opera hidraulicamente. Em mquinas do tipo
cmara quente (mais empregadas para ligas de zinco) opera-se com presses da ordem
de 3 a 30 MPa, obtendo-se de 7 a 10 injees/min. Como cada matriz costuma ser do tipo
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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multi-cavidades isto gera uma elevada produtividade. O alto custo da matriz metlica
viabiliza esse processo somente para lotes superiores a 5000 peas, sendo que uma
matriz fabricada num ao resistente ao calor tem durabilidade de 100.000 ou mais
injees, no caso de se trabalhar com a liga - base de zinco - ZAMAC.
A Figura III.6 mostra de forma esquemtica a injeo de metal numa mquina do
tipo "cmara fria" (o metal transferido da panela para a mquina) com injeo horizontal,
utilizada principalmente com ligas de alumnio ou de cobre. Peas produzidas por esse
processo possuem paredes finas, apresentando excelente acabamento e boa tolerncia
dimensional.
Entretanto grande parte das peas produzidas por este processo (carcaa de m-
quina fotogrfica, painis e maanetas de automveis, interruptores, etc.) tem sido subs-
titudas por similares de plstico injetado a um custo significativamente inferior, compro-
metendo, entretanto, a resistncia e consequentemente a durabilidade da pea. Como o
conceito de durabilidade tem se alterado ao longo das dcadas, temos que nos preparar
para conviver com a efemeridade desses componentes . Restam ainda - fabricados em
metal - miniaturas metlicas e carburadores, entre outros.
Figura III.6 - Mquina de Injeo do Tipo Cmara Fria
Fonte: Ibidem
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III.4 - PROCESSOS HBRIDOS
Os processos que conjugam fundio e conformao mecnica tem tido cada vez
mais penetrao no mercado - principalmente na rea de no-ferrosos - pela possibilidade
de se fabricar peas com elevada resistncia, sees mais finas e quase que total
ausncia de defeitos.
O processo "squezze casting" - desenvolvido nos EUA na dcada de 60 - tam-
bm denominado de "liquid-metal forging", indicando que a presso (da ordem de 70
MPa) exercida sobre o metal durante a sua solidificao, o que garante uma pea com
maior densidade do que o fundido convencional. Por esse processo - esquematizado na
Figura III.7 - so atualmente produzidas peas como pistes, rodas e flanges em ligas de
alumnio.
Figura III.7 - Etapas do Processo "Squezze Casting"
Fonte: Metals Handbook, vol. 15
J o processo " Semisolid Forging" - desenvolvido na dcada de 70 - se destina
tambm produo de peas "near net shape" ou "net shape", que dispensam acaba-
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mento e consiste de duas etapas. Primeiramente o lquido vigorosamente agitado no
incio da solidificao a fim de quebrar a estrutura dendrtica. Numa segunda etapa o
bloco solidificado novamente aquecido e ento a pea forjada. As etapas, mostradas
na Figura III.8 de forma esquemtica, podem ser totalmente automatizadas garantindo
elevada produtividade.
Comparativamente ao processo de fundio em moldes permanentes por gravi-
dade, este processo gera peas mais finas (e por conseguinte mais leves) e com maiores
resistncia e elongao, dada a microestrutura refinada. A produtividade chega a atingir
90 peas por hora; assim o alto custo da mquina pode - como ser visto a seguir - ser
diludo pelo elevado nmero de peas fabricadas, viabilizando o processo para grandes
encomendas.
Figura III.8 - Etapas de Fabricao de uma Pea por "Semisolid Forging"
Fonte: Catlogo Bhler
III.5 - CRITRIOS PARA A ESCOLHA DO PROCESSO
Primeiramente preciso verificar se cada um dos processos existentes - incluindo
a os de areia - adequado ao:
tamanho e geometria da pea tipo de liga a ser fundida acabamento e tolerncia dimensional exigidas nmero de peas encomendadas
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Restando dois ou mais processos tecnicamente viveis, o critrio de desempate
ser o econmico. A avaliao econmica deve considerar:
custo de equipamento (incluindo amortizao e manuteno) e material permanente: este custo fixo e ser rateado entre o numero n de peas a produzir. Ex.: um modelo
metlico pode no ser vivel para um lote de 1.000 peas, mas certamente o ser
para a produo de 10.000 unidades.
custo de produo: custos dos insumos (areia, metal, etc.), incluindo mo de obra, taxas de administrao e lucro (over-head).
Cada processo apresenta um custo unitrio que varia (inversamente) com o n-
mero de peas a produzir segundo uma dada equao. Assim podemos calcular a partir
de quantas peas o processo A se torna mais vivel economicamente que o processo B.
O grfico da Figura III.9 exemplifica como varia o custo para a produo de um determi-
nado fundido, fabricado por diversos processos, na hiptese de todos serem tecnica-
mente viveis. importante que, nessa avaliao, sejam comparados processos que re-
sultem em peas com acabamento e tolerncia dimensional da mesma ordem de gran-
deza, ou que se inclua no custo unitrio de produo os custos de usinagem, que claro,
sero maiores para o processo que confira pea pior acabamento.
No se pode esquecer que a competio, na ampla maioria dos casos, se d no
s entre os processos de fundio, mas entre esses e os demais processos de fabricao
- como conformao mecnica, metalurgia do p ou usinagem. Assim o processo es-
colhido ser aquele que produza a pea (ou lote) dentro das especificaes e com o m-
nimo custo. Exceo regra do preo mnimo pode ocorrer no caso de produo de pe-
as para a indstria aeronutica/areoespacial quando o fator segurana supera o aspecto
custo.
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Figura III.9 - Preo Unitrio Versus Nmero de Peas para Diversos Processos Fonte: Foundry Technology
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IV - TCNICAS DE FUSO
IV.1 - FORNOS
"Os fornos de induo aparecem com grande des taque
quando o assunto fuso de meta is com a l ta qua l idade"
Podemos classificar os fornos empregados para a fuso de metais e suas ligas em
funo do tipo de aquecimento empregado. Assim teremos:
fornos eltricos: a arco (direto e indireto), de induo (a canal e a cadinho) e de resistncia eltrica.
fornos a combustvel: carvo/coque; leo combustvel; G.L.P.; gs natural, entre outros.
Estes fornos podem ser do tipo cuba (alto forno; cubil), reverberao ou rotativo;
de cadinho (cadinho com aquecimento externo ao mesmo).
A Figura IV.1 - feita com dados sobre a performance do setor de fundio em 1980
mostra como os diversos fornos participavam da produo dos metais h quase duas
dcadas. Embora no se tenha pesquisa mais atualizada em termos da repartio dos
diversos fornos pelos setores de metal, sabe-se que houve uma ampliao do uso do
forno de induo - principalmente na rea de ferrosos - que vem gradativamente substi-
tuindo os fornos a arco e o cubil.
A anlise dos resultados da ltima pesquisa da ABIFA sobre o parque de fundies
(1997) mostra que cerca da metade das empresas utilizam mais de um forno de fuso.
Dentre as que operam com um nico tipo de forno, o forno eltrico de induo est
presente em praticamente metade das instalaes, sem considerar que a participao
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desse equipamento nas fundies que operam com mais de um forno tambm bastante
significativa.
Figura IV.1 - Participao dos Diversos Tipos de Fornos na Produo de Metais Fonte: Fundio e sua Performance
A seguir so fornecidos alguns detalhes sobre os fornos mais utilizados em fundi-
es brasileiras:
IV.1.1 - FORNO A ARCO
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O forno a arco indireto - o arco formado entre os eletrodos e o calor irradiado
para a carga - um forno pouco utilizado, principalmente devido ao elevado custo dos
eletrodos. J o forno a arco direto tem sua maior aplicao em aciarias para fabricao de
grandes quantidades de ao a partir de sucata (pelo processo cido ou bsico) e em
fundies de grande porte.
IV.1.2 - FORNO DE INDUO A CANAL
Tambm chamado de forno de induo com ncleo magntico, este forno possui
um ncleo de ao magntico - do tipo usado em transformadores - no qual enrolada
uma bobina, normalmente tubo de cobre refrigerado gua. A aplicao de uma
diferena de potencial entre as extremidades da bobina gera uma corrente alternada
(primria) que induz um campo eletromagntico alternado no canal preenchido pelo metal.
Assim a potncia gerada no secundrio depende da corrente que circula, da resistividade
eltrica e da permeabilidade magntica do metal. A geometria do forno leva formao
de um canal, como esquematizado na Figura IV.2.
Figura IV.2 - Corte de um Forno de Induo com Ncleo
Fonte: Foundry Engineering Estes fornos trabalham em freqncia da rede (50/60 Hz) e o canal deve conter
metal lquido para facilitar a fuso e evitar entupimento do mesmo. Isto vai exigir a exis-
tncia de um forno de partida e reduzir a flexibilidade, limitando alteraes constantes na
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composio qumica. Assim considera-se que o forno a canal vivel para grandes car-
gas (maiores que 10 ton.), trabalhando continuamente (min de 16h/dia). Tambm pode
ser utilizado em operao duplex com outro forno (por exemplo, o cubil). Um exemplo
deste forno em funcionamento o forno para manuteno de zinco na linha de zincagem
da CSN. Em 1983 haviam cerca de 200 equipamentos deste tipo instalados no Brasil,
sendo que cerca de 60% operando como forno de espera (holding), para manuteno de
temperatura e pequenos acertos de composio.
IV.1.3 - FORNO DE INDUO A CADINHO
Tambm chamado de forno de induo sem ncleo. Como o nome diz, possui a
geometria de um cadinho e ausncia de ncleo magntico, quando o prprio metal que se
deseja fundir funciona como secundrio. Trabalha a diferentes freqncias e est es-
quematizado na Figura IV.3.
Figura IV.3 - Forno de Induo a Cadinho
Fonte: Ibidem
A corrente induzida no bloco metlico flui mais na periferia deste, apresentando
um decaimento exponencial medida que penetra no metal, como esquematizado na
Figura IV. 4.
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Figura IV.4 - Decaimento da Corrente Induzida
Define-se ento espessura de penetrao (EP) como a distncia para a qual a cor-
rente vale Io / e, ou seja, quando I = 0,368 Io , onde Io a corrente inicial. Isto significa
que considera-se - para fins prticos - que no haja corrente circulando a distncias
maiores que EP. A EP depende da freqncia da corrente, da resistividade e da
permeabilidade do metal de acordo com a equao:
EP = 1/2 . [ (/.f) ] (IV.1)
onde , e f so, respectivamente, resistividade eltrica, permeabilidade magn-tica e freqncia da corrente.
Assim, metais com maior resistividade eltrica possuem maior EP, ou seja, so
mais fceis de fundir e medida que a freqncia da corrente aumenta, diminui a EP,
com a potncia se concentrando mais na periferia da carga.
Para maximizar os rendimentos eltrico e trmico, o bloco metlico - com dimetro
d e altura h - deve atender s seguintes relaes:
d 8 . EP (IV.2) h = 1 a 1,5 d (IV.3)
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Dessa forma, pode-se determinar a capacidade do forno em funo da freqncia,
para cada tipo de metal. A capacidade do forno varia inversamente com a freqncia
como mostram os dados da Tabela IV.1, para ao.
TABELA IV.1 - CAPACIDADE DO FORNO EM FUNO DE SUA FREQNCIA
f Hz) 50 150 1000 4000 10.000 EP (cm) 10 5.8 2.3 1.1 0.7 capacidade (kg) 3700 700 40 5 1.4
Fonte: Fundio - ABM
Na prtica trabalha-se com carga varivel - em termos de tipo e quantidade - e os
fornos apresentam tambm freqncia varivel, dentro de uma dada faixa; assim que
parmetros afetam a escolha do tipo de forno que ser comprado?
De uma forma geral o preo do forno aumenta com o aumento da freqncia. No
entanto um fator importante a se considerar potncia mxima possvel de ser aplicada,
valor esse que limitado pela agitao que provoca no banho. As correntes induzidas
geram um movimento do banho - esquematizado na Figura IV.5 - que positivo no
sentido de garantir uma homogeneizao da massa lquida, mas que, se excessivo leva a
um desgaste acentuado do refratrio.
Figura IV.5 - Correntes Indutivas e Agitao do Banho
Fonte: Foundry Engineering
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Para uma dada freqncia e capacidade do forno existe uma faixa de potncia
aplicada que corresponder a uma agitao ideal, como mostrado na Figura IV.6
construda para uma freqncia de 250 Hz. A utilizao de uma freqncia mais elevada
significa poder aumentar a potncia aplicada carga, mantendo a agitao dentro dos
nveis recomendados. Em outras palavras, isto significa diminuir o tempo de fuso,
aumentando a produtividade. Por exemplo para uma carga de 5 ton. se o forno operar a
60Hz a potncia no dever ultrapassar cerca de 1500 KW, enquanto que se a freqncia
for 500 Hz poder-se- aplicar at 3000 KW de potncia sem que ocorra agitao
excessiva. Isto significa praticamente duplicar a produtividade em kg/h, o que pode,
mdio prazo, compensar o investimento num equipamento mais caro.
Desta forma cabe ao fundidor pesar todos estes aspetos na hora da compra do
equipamento, no se esquecendo de incluir as despesas de instalao - obras civis,
reforos em redes eltricas, etc. - no custo total. O consumo tpico para fuso de ferro
da ordem de 550 kWh/ton.
Figura III.6 - Variao da Potncia Aplicada com a Capacidade do Forno Fonte: Mquinas e Metais
A Figura IV.7 mostra um esquema de uma instalao industrial constando de sis-
tema de pesagem e preparao da carga (A); carregador vibratrio (B); dois fornos de
fuso (C); panela de vazamento (D); painel de comando (E); transformadores (F) e esco-
rificador (G).
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Quando comparado ao forno a canal, o forno a cadinho ganha em versatilidade
pela possibilidade de trabalho com carga totalmente fria e alterao da composio da
carga, embora - para melhorar seu rendimento - rotineiramente no se esvazie o forno
totalmente. Estes fatores explicam o amplo predomnio do forno de cadinho em fundies
que operam com fornos eltricos. Grandes equipamentos com 10.000 KW de potncia e
produzindo at 20 ton./h de ao j esto operando em outros pases, substituindo fornos a
arco e fornos cubil.
Figura III.7 - Instalao Industrial com Dois Fornos a Cadinho
Fonte: Catlogo Inductotherm Ind. e Com. Ltda.
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IV.1.4 - FORNO RESISTNCIA ELTRICA
Tem sua utilizao restrita a ligas de alumnio ou outras no-ferrosas, de baixo
ponto de fuso. Pode funcionar bem como forno de espera - manuteno de temperatura
e pequenos acertos - para essas mesmas ligas.
IV.1.5 - FORNO CUBIL
Embora seja considerado um forno em extino ainda responde por cerca de 2%
de todo o metal produzido - o que equivale dizer algo como 30.000 ton./ano. Esse per-
centual engloba somente a produo das fundies que utilizam um nico equipamento
de fuso e que correspondem - como visto anteriormente - , aproximadamente, metade
das empresas cadastradas.
O cubil pode ser descrito como um forno de cuba, funcionando em contracorrente,
onde o carvo/coque tm a funo de ser o elemento combustvel e o sustentculo da
carga metlica . A Figura IV.8 mostra o esquema construtivo e de funcionamento do forno.
O consumo tpico de coque da ordem de 150 kg/ton. Com isso, o ferro produzido no
cubil pode custar at a metade do obtido em forno eltrico, o que explica a sua no-de-
sativao. Ainda apresenta como vantagem o baixssimo investimento inicial requerido
para sua construo, pois praticamente um forno artesanal.
Em contrapartida, um forno altamente poluente, de difcil controle, principalmente
quando se deseja produzir ferro com baixo carbono equivalente e baixo enxofre. Assim,
esse equipamento opera bem para produo de ferros de baixa resistncia ou em
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operao duplex com o induo. Um forno com 0,5 m de dimetro interno e cuba de 3,5 m
pode produzir 1,5 ton./h com cargas alternadas de 180 kg de metal, 20 kg de coque e 6,5 Kg de calcrio. J um forno com 1,5 m de dimetro pode produzir at 13 ton./h.
Figura IV.8 - Esquema Construtivo do Forno Cubil
Fonte: Foundry Engineering
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O mecanismo de fuso do cubil se baseia na combusto do coque a partir do ar
soprado nas ventaneiras e define no forno trs regies:
zona de combusto (queima do coque) ou de oxidao de elementos como silcio e mangans que provocam o superaquecimento do banho.
zona de reduo do coque ou de fuso do metal. zona de pr-aquecimento da carga metlica.
A posio relativa destas zonas depende de trs variveis de operao que so
interligadas: p - ou leito - de coque, coque entre cargas e vazo de ar. Alterando-se uma
ou mais delas a resposta s se far sentir a mdio prazo, medida que a carga for des-
cendo. Da advm a dificuldade de controle do produto no cubil, que feito de forma in-
direta: pela cor do metal que goteja (mais claro que o coque); pela cor da escria ( me-
dida que se torna mais escura indica a presena de xidos metlicos), etc. Nas reas ur-
banas este tipo de equipamento j foi praticamente desativado, principalmente, devido
presso exercida pelos rgos de controle ambiental. Tambm a expanso da demanda
do mercado por ferro nodular no lugar do ferro cinzento tem levado a substituio do cu-
bil pelo forno de induo a cadinho.
IV.1.6 - OUTROS FORNOS
Os fornos a cadinho com aquecimento a leo diesel, gs liqefeito de petrleo -
GLP - ou gs natural ainda encontram espao junto a pequenas e mdias fundies -
principalmente na rea de no-ferrosos. H um incentivo governamental na opo pelo
gs natural, menos poluente, porm isto demanda, muitas vezes, a realocao fsica da
fundio para a proximidade de um gaseoduto.
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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Fornos rotativos e reverberatrios, normalmente de grande porte, so utilizados por
algumas fundies que trabalham com grandes volumes de metais, como por exemplo, a
Valesul para a produo de lingotes de ligas de alumnio.
IV.1.7 - CLCULO DE CARGA
Para se determinar um carregamento adequado produo de uma dada
eespecificao preciso se conhecer:
a faixa de teores admissveis para o metal em questo. as matrias primas: sua disponibilidade; o custo e a anlise qumica - por amostragem
- de cada matria prima.
o equipamento de fuso: rendimento de cada elemento introduzido decorrente do pro-cesso de fuso, rendimento esse que depende do equipamento e de particularidades
de operao do mesmo.
Assim, temos a seguinte frmula:
%E = [ (%E (Ci) / 100) . (%Ci) . E (Ci) ], (IV.4)
onde:
%E = % do elemento E introduzido
%E (Ci) = % do elemento E no componente de carga adicionado Ci
% Ci = % do componente adicionado
E (Ci) = rendimento da incorporao do elemento qumico E presente no componente Ci no banho metlico.
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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O rendimento de incorporao pode variar em funo do tipo de carga Ci que est
sendo adicionada e da forma de adio. Por exemplo o rendimento de incorporao do
elemento silcio atravs da adio de Fe-45%Si menor do que no caso da adio de
uma liga Fe-75%Si e - para uma mesma liga - pode variar pelo fato da adio ser feita no
molde ou na panela.
Tambm importante considerar todas as adies e os tratamentos feitos em
panela - ou diretamente no molde - pois afetaro a composio qumica final, se no
forem levadas em conta por ocasio do clculo de carga.
Cada fundio utiliza os valores de rendimento tirados da sua prtica de fuso.
Quando so necessrias adies para correo dos teores de um dado elemento, estas
adies so subdivididas em duas ou trs parcelas, de forma a se evitar a ultrapassagem
dos valores mximos permitidos para cada elemento. Assim, o monitoramento da compo-
sio qumica durante o processo de fuso de fundamental importncia para garantir a
especificao requerida.
Atualmente diversas fundies j dispem de programas para clculo de carga
que considerem a minimizao dos custos e/ou a melhor utilizao dos estoques. Como
o preo dessas matrias primas - principalmente da sucata - oscila bastante, a utilizao
desses softwares pode permitir uma economia significativa.
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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IV.2 - ROTINAS DE FUSO
"A par t i r dos conce i tos de perdas de fuso, fund ib i l idade e gases nos meta is e do
conhec imento das propr iedades f s icas dos e lementos pode se es tabe lecer uma ro t ina de fuso para cada meta l ou l iga"
Muitos manuais de fundio discorrem sobre essas rotinas que podem parecer
aos leigos perfeitas "receitas de bolo". Entretanto, com o conhecimento dos fenmenos
que ocorrem quando da fuso, da manuteno do metal lquido e do comportamento do
mesmo durante o vazamento possvel se estabelecer a tcnica de fuso mais adequada
a cada caso. Alguns desses aspectos so abordados a seguir:
IV.2.1 - PERDAS DE FUSO
So as perdas de metal contabilizadas durante a fuso, incluindo a as perdas du-
rante a transferncia, o tratamento em panela (inoculao e nodulizao, por exemplo) e
o vazamento. claro que estas perdas vo afetar o rendimento metlico global - definido
como peso da pea usinada dividido pelo peso de metal carregado no forno - e a anlise
qumica final, uma vez que as perdas durante a fuso propriamente dita se concentram
em cima de determinados elementos. As perdas durante a fuso podem ser subdivididas
em:
perdas por oxidao: so to maiores quanto mais oxidvel for o elemento em ques-to: assim num bronze silcio, o elemento que ter diminuda sua concentrao no ba-
nho ser o silcio. Estas perdas so tambm afetadas pelo tipo de forno e de atmos-
fera empregada e pela forma com que a carga metlica se apresenta, se em sucata ou
em lingotes. Por exemplo, para ligas base de alumnio estas perdas so maximi-
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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zadas para a fuso, de sucata de retalhos de chapas, em forno de reverberao ou ro-
tativo com atmosfera oxidante.
perdas por volatilizao: so restritas aos elementos zinco, cdmio e magnsio, que devem ser adicionados por ltimo. Todo cuidado em se evitar superaquecimentos
desnecessrios positivo no sentido de minimizar as perdas por volatilizao.
IV.2.2 - FUNDIBILIDADE
um dado importante a se considerar por ocasio do projeto de uma pea fundida.
O conceito de fundibilidade engloba fluidez e tenso superficial, uma vez que o metal
lquido ter que escoar dentro dos canais at chegar cavidade do molde. De uma forma
geral quanto maior a fluidez da liga maior ser a tendncia a que ela apresente boa
fundibilidade. Tambm o intervalo de solidificao e a % de contrao da liga afetam a
sua fundibilidade que pode ser definida como capacidade de um metal preencher sees
finas e reproduzir detalhes do molde.
A alterao da composio de uma dada liga pode afetar a fundibilidade, sendo
que essa propriedade pode ser medida - de forma comparativa - atravs do vazamento
de corpos-de-prova padres. O ensaio consiste em se vazar o metal num molde
padronizado - o mais utilizado possui a forma de uma espiral, Figura IV.9 - e em
condies equivalentes de vazamento. Aps a solidificao se mede o comprimento de
espiral preenchido, sendo que quanto maior o comprimento maior ser a capacidade do
metal de preencher sees finas do molde.
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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Figura IV.9 - Espiral de fluidez
Fonte: Fundamentals of Metal Casting
IV.2.3 - GASES NOS METAIS
Do ponto de vista do fundidor muito importante conhecer quais so os gases
solveis no banho e em que quantidade e de que forma eles so incorporados, uma vez
que gases so uma causa importante de defeitos das peas fundidas. Isto por que a
solubilidade dos gases tende a diminuir com a queda de temperatura, obrigando o gs a
se recombinar durante o resfriamento, gerando bolhas e porosidades na pea fundida. Se
as medidas tomadas visando a minimizao da absoro de gases no forem suficientes
para eliminar os defeitos citados, pode ser preciso desgaseificar o metal lquido antes do
vazamento.
Os gases bi-atmicos (H, N) so absorvidos numa quantidade que proporcional
raiz quadrada da presso parcial deste gs na atmosfera segundo a Lei de Sieverts. A
Figura IV.10 mostra a variao da solubilidade do hidrognio - que considerado um dos
mais nocivos - com a temperatura, para vrios metais. Dos metais que aparecem nesta
figura o mais crtico em relao a defeitos ocasionados pelo hidrognio o alumnio, pois
como a solubilidade do hidrognio no alumnio slido praticamente nula o gs tem que
se recombinar gerando microporosidade em toda a pea. J nas ligas ferrosas a
presena do gs CO efetua um arraste do hidrognio dissolvido, atuando como um
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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desgaseificante. As ligas de cobre so mais - ou menos - sensveis ao hidrognio
dependendo de sua composio qumica.
Figura IV.10 - Solubilidade do Hidrognio nos Metais Versus Temperatura
Fonte: Fundio - ABM
A presena de nitrognio dissolvido no banho no se constitui numa fonte de de-
feitos de fundio. Nos aos, esse elemento normalmente se combina na forma de
nitretos ou carbonitretos que atuam como endurecedores da matriz. Nas ligas no-
ferrosas a solubilidade do nitrognio praticamente nula; da ele ser usado -
principalmente em ligas de cobre e de alumnio - como desgaseificante, quando promove
o arraste do hidrognio dissolvido.
Gases complexos como CO (em aos) e H2O e SO2 (em ligas de cobre) tambm
podem estar presentes nestes materiais. No caso de aos a presena de oxignio (na
forma de FeO) em contacto com o carbono dissolvido no banho leva formao de CO
que responsvel pelo aspecto caracterstico das bolhas dos aos efervescentes. Por
causa disso na produo de peas fundidas se utiliza sempre ao acalmado. A Figura
IV.11 apresenta, de forma esquemtica, lingote efervescente (a), semi-acalmado (b) e
acalmado (c), com reduo gradual da porosidade de a para c. Em ligas base de cobre
a solubilidade simultnea de hidrognio e oxignio costuma dar origem a porosidades,
devendo-se evitar que o hidrognio se dissolva no metal lquido.
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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Figura IV.11 - Lingote: (a) Efervescente; (b) Semi-acalmado e (c) Acalmado
Fonte: Foundry Engineering
Como o hidrognio e outros gases penetram no banho? A umidade presente no ar,
nos refratrios, na carga metlica ou nas ferramentas se dissocia a altas temperaturas
com conseqente absoro de hidrognio e oxignio pelo banho metlico. Assim
importante pr-aquecer ferramentas e cadinhos, restringir o contato metal - gs atravs de
uma escria ou fluxo protetor (cuidado pois os fluxos so geralmente higroscpicos) e,
mais importante ainda, utilizar a menor temperatura possvel.
Se ainda assim restar uma quantidade de gases dissolvidos que gerem porosidade
ser preciso recorrer aos processos de eliminao desses gases. So eles:
Oxidao - reduo: recomendado para sistemas que apresentem solubilidade si-multnea de hidrognio e oxignio, como por exemplo algumas ligas base de cobre.
A liga fundida sob atmosfera oxidante, para minimizar a absoro de hidrognio, e
desoxidada energicamente instantes antes do vazamento.
Pr-solidificao: utilizado principalmente quando se dispe de muita sucata mida. Ao solidificar, parte do gs forma bolhas e na segunda fuso o teor de gases ser me-
nor (Figura IV.12a)
Borbulhamento de um gs: Inerte (nitrognio, Figura IV.12b) ou ativo (atravs de pastilhas ricas em cloro, Figura IV.12c): abaixa simultaneamente o hidrognio e o oxi-
gnio dissolvidos pela reduo da presso parcial desses gases na mistura. Mais im-
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Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia
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portante ainda o efeito de arraste que provoca quando borbulhado no fundo da
panela e as bolhas que sobem vo incorporando os gases dissolvidos. Indicado para
ligas de cobre (com nitrognio) e ligas de alumnio (com nitrognio ou gs cloro).
Refino a vcuo: usado para a produo de aos e ligas especiais, diminui simultane-amente o teor de carbono e de oxignio (Figura IV.12d). A diminuio de presso na
cmara desloca as reaes no sentido de formao dos gases que so removidos
pelo bombeamento.
Figura IV.12 - Mtodos de Desgaseificao do Banho Metlico Fonte: Ibidem
IV.2.4 - PROPRIEDADES FSICAS
importante se conhecer as propriedades fsicas c