FundiÇÃo Hélio Padilha

Introdução O processo de fundição consiste na fabricação de peças metálicas por meio do preenchimento, com metal líquido, de um molde cuja cavidade apresenta dimensões similares às da peça que se deseja produzir.

Histórico Embora não haja um consenso, acredita-se que tal processo seja conhecido desde 5000 a.C., quando já se faziam objetos em cobre fundido por meio de moldes de pedra lascada. Uma razão plausível para que o cobre tenha sido o primeiro metal fundido pelo homem, de forma não acidental, é o seu baixo ponto de fusão. Cobre nativo

Histórico A adição de estanho ou arsênio ao cobre formou a nova liga conhecida como bronze, o que aumentou a dureza do metal e permitiu ao homem produzir armas e armaduras de alta resistência. Entretanto, por muito tempo, materiais em bronze eram considerados artigos de luxo, de modo que seu uso não era estendido a soldados ou plebeus. Naquela época (1700 a.C. e 1100 a.C.), o processo em “cera perdida” já era conhecido na China e na Mesopotâmia.

Histórico Apesar de o minério de ferro ser encontrado em abundância na natureza, o primeiro fundido de ferro conhecido é considerado relativamente recente, datando de 600 a.C. Trata-se de um tripé de 275 kg produzido na China. Outras fontes indicam que o processo de fundição de ferro era conhecido antes disso e, por volta de 1000 a.C., os chineses já produziam peças de ferro fundido em temperaturas mais elevadas, obtidas em fornos de carvão soprados por foles.

Histórico Os primeiros fundidos em ferro tinham baixíssima resistência à fratura. Apenas mais tarde introduziu-se o carvão durante o processo de fusão, conferindo maior resistência à peça final. No período romano, de 250 a 100 a.C., a metalurgia do ferro já era largamente conhecida e aplicada na fabricação de machados, ferramentas, charruas, canos e armamento. O processo produtivo, entretanto, não sofreu significativa evolução ao longo dos séculos seguintes. Os fundidos de ferro cinzento e os fundidos de ferro branco foram produzidos com poucas mudanças através dos anos. Apenas em 1638 d.C., foram registrados os primeiros estudos científicos sobre a resistência dos metais à ruptura, realizados por Galileu Galilei.

Histórico Inovações no método produtivo foram feitas no século XVII, por meio de incarbonização, que consiste na adição de carbono ao ferro – o que daria origem, futuramente, ao aço. O processo de fundição em aço data de 1740 e é atribuído ao inglês Benjamin Huntsman. A descoberta, por Réaumur, da descarbonetização dos ferros fundidos brancos, provendo-lhes maior ductiilidade em seções finas, ocorreu apenas em 1722.

Histórico No Brasil, a primeira casa de fundição surgiu por volta de 1580, em São Paulo, e era destinada à fundição do ouro extraído das minas do Jaraguá e arredores. No decorrer do século XVIII, muitas casas de fundição foram criadas em Minas Gerais, Goiás, Mato Grosso e Bahia. A fundição de ferro passou a ser feita a partir do século XVII e, nos últimos dias do seu domínio, a coroa portuguesa chegou a construir alguns altos-fornos na colônia. Casa de Fundição – Ouro Preto, MG.

Indústria de Fundição É notável o crescimento da produção de fundidos em mercados emergentes. Essa é uma tendência natural, advinda do crescimento dessas economias e das pressões ambientais maiores nos países desenvolvidos, que forçam a transferência da produção poluidora para países em que a legislação ambiental é menos restritiva. Desde 2007, mais de um terço da produção mundial de fundidos vem da China, que se destaca como a maior produtora mundial, com larga vantagem em relação aos Estados Unidos e à Rússia – respectivamente, segundo e terceiro colocados.

Indústria Brasileira de Fundição A produção brasileira de fundidos é de 3 milhões de toneladas anuais, o que coloca o Brasil na sétima posição do ranking entre os maiores produtores globais. A indústria brasileira de fundição gera, aproximadamente, 60 mil empregos diretos.

Indústria Brasileira de Fundição A produção brasileira de fundidos concentra-se em ligas ferrosas (90%). As ligas não ferrosas (alumínio, cobre, magnésio e zinco) apresentam pequena participação na produção total, mas têm alto valor agregado e boas perspectivas de crescimento, com destaque para o alumínio.

Indústria Brasileira de Fundição Atualmente, o setor automotivo responde por 58% das vendas nacionais de fundidos. O setor de bens de capital aparece em seguida, com participação de 13% (mesmo percentual das exportações). A demanda do setor de siderurgia, que atualmente corresponde a apenas 2% da demanda de fundidos, já representou 16,5% no passado.

Indústria Brasileira de Fundição O Brasil é o segundo maior produtor mundial de ferro-gusa e exporta 69% da sua produção. A produção de ferro-ligas e alumínio atende plenamente o mercado interno. Os gastos com matéria-prima representam 57% do custo de produção no caso de fundidos ferrosos e 42% para não ferrosos.

Generalidades O objetivo fundamental da fundição é o de dar forma adequada ao metal, vazando-o em estado líquido dentro da cavidade de um molde com a forma desejada. As paredes do molde permitem retirar o calor do metal líquido, por transferência térmica, provocando sua solidificação e fixando a forma final das peças vazadas.

Solidificação Apesar da extrema simplicidade do objetivo, a solidificação do metal no molde não ocorre de maneira passiva. Na realidade, a transformação “liquidus-sólidus” pela qual passa o metal é de natureza ativa e dinâmica , já que durante a mesma ocorrem diversos fenômenos que, se não forem devidamente controlados, podem comprometer o desempenho do produto final.

Nucleação O termo nucleação traduz o modo pelo qual a fase sólida surge de forma estável no interior da fase líquida, sob a forma de pequenos núcleos cristalinos. Nucleação homogênea Nucleação heterogênea

Crescimento de cristais O termo crescimento traduz o modo pelo qual os núcleos crescem sob a forma de cristais ou grãos cristalinos.

Fenômenos que ocorrem durante a solidificação - cristalização Consiste no aparecimento das primeiras células cristalinas unitárias, que servem como "núcleos" para o posterior desenvolvimento ou "crescimento" dos cristais, dando, finalmente, origem aos grãos definitivos e à "estrutura granular" típica dos metais. Esse crescimento dos cristais não se dá, na realidade, de maneira uniforme, ou seja, a velocidade de crescimento não é a mesma em todas as direções, variando de acordo com os diferentes eixos cristalográficos; além disso, no interior dos moldes, o crescimento é limitado pelas paredes destes.

Fenômenos que ocorrem durante a solidificação - cristalização A solidificação tem início nas paredes com as quais o metal líquido entra imediatamente em contato. Os cristais formados e em crescimento sofrem a interferência das paredes do molde e dos cristais vizinhos, de modo que eles tendem a crescer mais rapidamente na direção perpendicular às paredes do molde.

Fenômenos que ocorrem durante a solidificação - cristalização Zona coquilhada Consiste em uma camada periférica em que os grãos são nucleados na parede do molde e crescem, competindo uns com os outros. Como a troca de calor nessa região é rápida, tem-se uma alta taxa de nucleação, logo os cristais são finos e crescem equiaxialmente.

Fenômenos que ocorrem durante a solidificação - cristalização Zona Colunar Em seguida, devido ao fluxo de calor para fora do molde, cristais crescem preferencialmente em direção ao seio do líquido. Nesta região os grão são grandes e alongados.

Fenômenos que ocorrem durante a solidificação - cristalização Zona equiaxial central Nesta zona os grãos também assumem uma morfologia equiaxial, porque a transferência de calor se dá em todas as direções com praticamente a mesma intensidade. Contudo, tem-se uma taxa de nucleação reduzida, logo os grãos são mais grosseiros se comparados aos da zona coquilhada. Devido à morfologia e distribuição homogênea dos grãos nessa zona, as ligas tendem a possuir propriedades mecânicas com comportamento isotrópico.

Cristalização

Refino de grão A experiência mostra que o desempenho de uma peça fundida é tanto maior quanto menor for o tamanho médio dos grãos cristalinos que a constituem, particularmente no que se refere a suas propriedades mecânicas. Na fundição, o refino de grão é conseguido normalmente através da adição ou inoculação, ao metal líquido de núcleos de germinação dispersos, com alta potência de nucleação, sob a forma de partículas finamente divididas.

Refino de grão

Inoculantes Metais e ligas Inoculantes Eficiência relativa Ligas de Magnésio Carbono Alta Cloreto de Ferro Zircônio Moderada Alumínio e ligas Boro Titânio Nióbio Titânio e ligas Terras raras Níquel Cobalto Baixa Ferro Fundido Alumínio Ferro-silício Aço comum

Fenômenos que ocorrem durante a solidificação – contração de volume Os metais, ao solidificarem, sofrem uma contração. Na realidade, do estado líquido ao sólido, três contrações são verificadas : contração líquida - correspondente ao abaixamento da temperatura até o início da solidificação; contração de solidificação - correspondente à variação de volume que ocorre durante a mudança do estado líquido para o sólido; contração sólida - correspondente à variação de volume que ocorre já no estado sólido, desde a temperatura de fim de solidificação até a temperatura ambiente. A contração é expressa em porcentagem de volume. No caso da contração sólida, entretanto, a mesma é expressa linearmente, pois desse modo é mais fácil projetar-se os modelos.

Fenômenos que ocorrem durante a solidificação – contração de volume A contração sólida varia de acordo com a liga considerada. No caso dos aços fundidos, por exemplo, a contração linear, devida à variação de volume no estado sólido, varia de 2,18 a 2,47%, o valor menor correspondendo ao aço de mais alto carbono (0,9%). No caso dos ferros fundidos - uma das mais importantes ligas para fundição de peças - a contração sólida linear varia de 1 a 1,5%, o valor de 1% correspondendo ao ferro fundido cinzento comum e o valor 1,5% (mais precisamente de 1,3 a 1,5%) ao ferro nodular. Para os outros metais e ligas - a contração linear é muito variada, podendo atingir valores de 8 a 9% para níquel e ligas cobre-níquel. A diferença entre os volumes no estado líquido e no estado sólido final dá como consequência o vazio ou rechupe

Fenômenos que ocorrem durante a solidificação Os vazios citados podem eventualmente ficar localizados na parte interna das peças, próximos da superfície; porém, invisíveis externamente. Além dessa consequência - vazio ou rechupe - a contração verificada na solidificação pode ocasionar : aparecimento de trincas a quente; aparecimento de tensões residuais.

Fenômenos que ocorrem durante a solidificação Os vazios ou rechupes que constituem a consequência direta da contração podem também ser controlados ou eliminados, mediante recursos adequados, seja no caso de lingoteiras, seja no caso de moldes para peças fundidas

Fenômenos que ocorrem durante a solidificação - segregação Algumas ligas metálicas contêm impurezas normais, que se comportam de modo diferente, conforme a liga esteja no estado líquido ou sólido. O caso mais geral é o das ligas Fe-C que contêm, como impurezas normais, o P, o S, o Mn, o Si e o próprio C. Quando essas ligas estão no estado líquido, as impurezas estão totalmente dissolvidas no líquido, formando um todo homogêneo. Ao solidificar, entretanto, algumas das impurezas são menos solúveis no estado sólido: P e S, por exemplo, nas ligas mencionadas. Assim sendo, à medida que a liga solidifica, esses elementos vão acompanhando o metal líquido remanescente, indo acumular-se, pois, na última parte sólida fornada. Nessas regiões, a concentração de impurezas constitui o que se chama segregação.

Fenômenos que ocorrem durante a solidificação – gases Esse fenômeno ocorre, como no caso anterior, principalmente nas ligas Fe-C. O oxigênio dissolvido no ferro, por exemplo, tende a combinar-se com o carbono dessas ligas, formando os gases CO e CO2 que escapam facilmente à atmosfera, enquanto a liga estiver no estado liquido. À medida, entretanto, que a viscosidade da massa liquida diminui, devido à queda de temperatura, fica mais difícil a fuga desses gases, os quais acabam ficando retidos nas proximidades da superfície das peças ou lingotes, na forma de bolhas.

Fornos para fundição Fornos mais comumente utilizados nas fundições: Cúpulas (Cubilô) Cadinho Fornos de arco elétrico Fornos de Indução

Fornos para fundição - Cubilô Os primeiros fornos cubilô foram construídos há mais de um século. Eles surgiram antes da Primeira Guerra Mundial, mas com características básicas, que foram evoluindo até chegar aos fornos modernos, de última geração e totalmente automatizados. No Brasil, o primeiro forno cubilô moderno foi instalado 1982, na Sofunge, naquela época a maior fundição do país.  O segundo cubilô moderno do Brasil, com capacidade para produzir de 20 a 22 toneladas por hora, foi inaugurado em 2001, na Luk, cuja fundição ficava em Mogi Mirim (SP) e sua fábrica de freios em Sorocaba (SP). O terceiro começou a funcionar em 2005, na Teksid do Brasil, a empresa fundidora controlada pela Fiat, em Betim (MG). 

Fornos para fundição - Cubilô Na sua essência o forno cubilô é um forno de fusão, cuja função é derreter a carga metálica utilizando como fonte de calor um combustível sólido, aquela pedra de carvão mais conhecida como coque. Ele é, portanto, um forno de fusão com combustível sólido. No entanto, para atender à demanda dos países árabes produtores de petróleo, há cerca de 20 anos foi inventado um forno cubilô que utiliza gás como combustível. 

Fornos para fundição - Cubilô O Cubilô é o forno mais usado para produzir ferro fundido cinzento. O cubilô é um forno cuja altura é de três a cinco vezes o seu diâmetro. É construído em um base de aço que é de (10 mm) de densidade e que está interiormente forrado com tijolos de argila refratária. A estrutura inteira é erguida em pernas ou colunas. No o topo do forno, há uma abertura pela qual o combustível é colocado. O ar que é necessário para a combustão é soprado pelas ventaneiras localizadas a aproximadamente 900 mm acima da base do forno. Ligeiramente acima da base e na frente, há um furo vedado e uma calha que permite o ferro fundido ser coletado. Também há uma abertura de escória localizada na parte de trás e acima do nível do furo vedado (porque a escória flutua na superfície do ferro fundido).

Fornos para fundição - Cadinho Os fornos a cadinho com aquecimento a óleo diesel, gás liquefeito de petróleo - GLP - ou gás natural ainda encontram espaço junto a pequenas e médias fundições - principalmente na área de não-ferrosos. Há um incentivo governamental na opção pelo gás natural, menos poluente, porém isto demanda, muitas vezes, a realocação física da fundição para a proximidade de um gasoduto.

Fornos para fundição - Cadinho Três tipos de fornos de cadinho: (a) elevação (b) estacionário (c) forno panela inclinado

Fornos de arco elétrico O forno de arco elétrico é o tipo mais usado de forno elétrico. O calor gerado pelo arco elétrico é transferido através de radiação direta ou por radiação refletida pelo forro interno do forno. O arco elétrico é gerado entre eletrodos de grafite. Para controlar a folga entre os dois eletrodos e adequar o controle da intensidade do calor, um eletrodo é estacionário e o outro é móvel. Os fornos de arco elétrico são usados principalmente para fundir aços e menos usados para fundir ferro fundido cinzento e alguns metais não-ferrosos.

Fornos de indução Forno de indução a canal Também chamado de forno de indução com núcleo magnético, este forno possui um núcleo de aço magnético - do tipo usado em transformadores - no qual é enrolada uma bobina, normalmente tubo de cobre refrigerado à água. A aplicação de uma diferença de potencial entre as extremidades da bobina gera uma corrente alternada (primária) que induz um campo eletromagnético alternado no canal preenchido pelo metal. Assim a potência gerada no secundário depende da corrente que circula, da resistividade elétrica e da permeabilidade magnética do metal.

Fornos de indução Forno de indução a cadinho Também chamado de forno de indução sem núcleo. Como o nome diz, possui a geometria de um cadinho e ausência de núcleo magnético, quando o próprio metal que se deseja fundir funciona como secundário. A corrente induzida no bloco metálico flui mais na periferia deste, apresentando um decaimento exponencial à medida que penetra no metal.

Metais para fundição A maioria das peças fundidas comerciais são feitas de ligas, em vez de metais puros As ligas metálicas são geralmente mais fáceis de fundir e as propriedades do produto são melhores. A ligas de fundição podem ser classificadas como: Ferrosas Não Ferrosas

Metais para fundição – ligas ferrosas Ferro fundido A mais importante de todas as ligas de fundição A tonelagem de fundição de ferro fundido é várias vezes maior que de todos os outros metais combinados Vários tipos: ferro fundido cinzento, ferro nodular, ferro fundido branco, ferro maleável e ferro fundido de liga Temperaturas típica vazamento: ~1400 °C (2500 °F), dependendo da composição

Metais para fundição – ligas ferrosas Aço As propriedades mecânicas do aço o tornam um material de engenharia atraente. A capacidade de criar geometrias complexas faz da fundição um processo de fabricação atrativo Dificuldades na fundição de aço: A temperatura de vazamento do aço é superior à maioria dos outros metais ~1650 °C (3000 °F). Nestas temperaturas o aço facilmente se oxida, assim, o metal fundido deve ser isolado do ar. O aço fundido tem relativamente baixa fluidez

Metais para fundição – ligas não ferrosas Alumínio Geralmente considerado muito moldável Temperaturas de vazamento baixas devido à baixa temperatura de fusão do alumínio - Tm = 660 °C (1220 °F) Propriedades: Baixo peso Muitas propriedades de resistência devido ao tratamento térmico Fácil de usinar

Metais para fundição – ligas não ferrosas Cobre Inclui: bronze, latão e alumínio-bronze Propriedades: Resistência à corrosão Aspecto atrativo Boas qualidades estruturais Limitação: alto custo do cobre Aplicações: acessórios para tubos, pás de hélice marinha, componentes de bombas hidráulicas, jóias ornamentais

Metais para fundição – ligas não ferrosas Zinco Boa maleabilidade, muito utilizado na fundição Baixo ponto de fusão:Tm = 419 °C (786 °F) Boa fluidez facilitando a fundição Propriedades: Baixa resistência à fluência, depois de fundidas das não podem ser submetidas a altas tensões prolongadas