livro Fundição

FUNDIO:Mercado, Processos e Metalurgia

Gloria de Almeida Soares

ABRIL DE 2000

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.

Aos que me garantem energia para viver e lutar: Cludio, Bruno, Viviane e Ana Clara. Aos meus alunos

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, tempo, obsoletos. No me considero especialista no em pouqussimo 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

NDICE

CAPTULO I

INTRODUO I.1 - BASE DOS PROCESSOS I.2 - ORGANIZAO DA FUNDIO I.3 - PARQUE BRASILEIRO

01 01 02 03

CAPTULO II

FUNDIO EM AREIA II.1 - INTRODUO

07

07 II.2 - MODELAO II.3 - AREIAS DE MOLDAGEM II.4 - PROCESSOS DE FUNDIO EM AREIA 29 II.5 - MECANIZAO 07 16

33

CAPTULO III

OUTROS PROCESSOS III.1 - FUNDIO DE PRECISO

38

39 III.2 - CENTRIFUGAO III.3 - FUNDIO SOB PRESSO 42 III.4 - PROCESSOS HBRIDOS III.5 - CRITRIOS PARA ESCOLHA DO PROCESSO 46 44 42

CAPTULO IV

TCNICAS DE FUSO IV.1 - FORNOS IV.2 - ROTINAS DE FUSO

48 48 62

CAPTULO V

SOLIDIFICAO E ALIMENTAO DE PEAS V.1 - SOLIDIFICAO IV.2 - TRANSFERNCIA DE CALOR

77 77

81

87 100

IV.3 - SISTEMA DE MASSALOTES IV.4 - SISTEMA DE CANAIS

CAPTULO V

ACABAMENTO E CONTROLE DE QUALIDADE V.1 - ACABAMENTO E INSPEO V.2 - DEFEITOS V.3 - PROJETO

108 108 111 115

CAPTULO VI

BIBLIOGRAFIA

118

Fundio: Mercado, Processos e Metalurgia

I - INTRODUO" A f u n d i o n o e n c o n t r a p a r a l e l o c o m o u t r o s p r o c e s s o s d e c o n f o r ma o p e l o f a t o de que, em muitos casos, o mtodo mais simples e econmico e, em outros, o nico mtodo tecnicamente vivel de se obter uma determinada forma slida" (V. Kondik)

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 PROCESSOSO 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 Paralelamente fabricao do molde, o metal vazamento e solidificao, pea fundida.

convenientemente fundido. Aps

a pea retirada do molde, com forma prxima final

precisando apenas passar pelas etapas de acabamento: corte de canais; rebarbao;

1


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 FUNDIONormalmente 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-

2


minados dias da semana, minimizando assim o custo das peas fundidas, alm de aumentar 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, despencou do patamar histrico atingiram em cheio a indstria de fundio que 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 produoExcludo: 1997 Excludo: de 1.658

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 - menos 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 toneladas e vem representando um grande incentivo melhoria da qualidade de processos e produtos.

3


Excludo: 2000

PRODUO ANUAL (mil ton.)

1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

2000

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.Excludo: projeta-se

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 interno depende substancialmente do reaquecimento da industria automotiva no pas.

4


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) at 600 de 601 a 1.200 de1.201 a 6.000 de 6.001 a 12.000 de 12.001 a 24.000 de 24.000 a 36.000 de 36.001 a 48.000 de 48.001 a 60.000 acima de 60.000 TOTAL FERROSOS 14 25 41 7 17 2 (TECUMSEH e DZ S.A.) --5 (TUPY; GEN. MOTORS; COFAP; TEKSID; ANIS WORKSHOP) 159 NO FERROSOS 51 9 8 1 2 ---MISTAS 15 13 12 6 1 1 (CSN) 2 (FORD/TAUBAT e COSIPA) -1 (METAL. MOGI) 23

75

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

5


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

6


II- FUNDIO EM AREIA" O p r o c e s s o d e mo l d a g e m e m a r e i a a i n d a o ma i s e mp r e g a d o d e v i d o s u a v e r s a t i l i d a d e e e c o n o mi a "

II.1 - INTRODUOEste 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 q u a l i d a d e d a p e a f u n d i d a d e p e n d e , a n t e s d e ma i s n a d a d a q u a l i d a d e e p r e c i s o c o m q u e o mo d e l o f a b r i c a d o

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 fundio 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, principalmente) 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 mo7


delo. O tempo de vida dos mesmos depende da complexidade e do cuidado no armazenamento 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 200-300 madeira at 2000 madeira reforada com metal at 6000 alumnio ou resina epxi at 100.000 ferro fundido / ao 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 moldao, 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-modelo - modelos montados em placa, onde so tambm fixados os canais de alimentao , sendo este ltimo tipo utilizado principalmente na moldagem mecanizada.

8


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

9


II.1.2 - CRITRIOS PARA ESCOLHA DO MATERIAL

Em primeiro lugar preciso saber se o processo de moldagem selecionado apresenta 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 melhor: 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.

10


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. Superdimensionar 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 posio da superfcie: superfcies superiores exigem maior sobremetal, uma vez que diversos defeitos tendem a se posicionar nas cotas superiores do molde. A Tabela II.2 apresenta 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.

11


TABELA II.2 - SOBREMETAL PARA USINAGEM Espessura aproximada da pea (mm) at 150 de 150 a 300 de300 a 500 de 500 a 900 de 900 a 1500 Acrscimo mdio na superfcie do modelo (mm) Ao ferro fundido no-ferrosos 3,2 2,4 1,6 4,8 3,2 1,6 6,4 4,0 2,4 6,4 4,8 3,2 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 modelo, se for o caso.

TABELA II.3 - VALORES TPICOS DE CONTRAO DOS METAIS Metal % linear 2,0 ao 0,5-1,0 ferro fundido 0,8 ferro nodular 1,7 alumnio 1,3-1,6 lato 2,6 zinco Fonte: Padres de Fabricao para Aos Fundidos

D. ngulo de Sada:

12


o angulo de 1 a 2 utilizado na fabricao do modelo de forma a permitir sua extrao 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 cdigo 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:

13


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 acentuado. 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 rendimento 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 peas 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 cupins. 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 cliente possuidor do seu modelo, cabendo fundio unicamente produzir o molde e vazar o metal, mas esta pratica no aconselhvel pois o projeto de fabricao dos modelos e das caixas de macho depende do projeto da pea fundida como um todo.

14


II.1.5 - PROTOTIPAGEM

Algumas modelaes e grandes fundies j esto utilizando a fabricao de prottipos como forma de avaliar - de forma rpida - detalhes construtivos dos modelos e matrizes. A prototipagem rpida - que produz objetos slidos a partir da informao tridimensional 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 fotosensvel 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 especializado 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

A r e i a s e a g l o me r a n t e s d e v e m s e r c r i t e r i o s a me n t e e s c o l h i d o s p a r a g a r a n t i r a reprodutibilidade das propriedades dos moldes

15


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 mecnica, permeabilidade adequada e plasticidade (ou moldabilidade). J da areia destinada 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 incio 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 perdas durante a reciclagem e manter as propriedades da areia estveis. Na areia reciclada so adicionadas tambm pequenas quantidades de aglomerantes e gua. quanto ao emprego: areia de moldagem (faceamento ou enchimento) e areia de macho. quanto ao estado de umidade: mida (verde) ou seca (estufada). II.3.2 - COMPONENTES

A. Areia-base:

16


A areia-base uma areia refratria, normalmente silicosa, sendo que se for originria 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 fundido mas, principalmente, a refratariedade do molde. Essa ltima propriedade particularmente 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 escoamento 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 necessrio 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) 50-90 ao fundido 80-130 ferro fundido 90-160 no-ferrosos 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.

17


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 provocadas 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

18


aglomerantes orgnicos: a resistncia atingida atravs de uma leve socagem seguida de uma secagem do molde ou macho - j prontos - em estufa, sendo que a resistncia final pode ser superior alcanada com aglomerantes inorgnicos. Como vantagem adicional apresenta tambm boa colapsibilidade. Com o advento das resinas os aglomerantes orgnicos naturais cairam em desuso. Exemplos: accares; melao de cana; amido de milho (maizena); leos; etc. aglomerantes sintticos: Existem basicamente duas classes de resinas: as termoendurecveis (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 resistncia 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 silicosa 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

19


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 expanso da areia. Para este fim pode-se adicionar areia serragem, p de madeira ou qualquer outro componente orgnico.

20


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 costumase 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 conseguinte, 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 periodicamente propriedades da areia como resistncia, permeabilidade e teor de umidade, o que significa ter um controle sobre a qualidade dos moldes produzidos. Esses resultados devem ser registrados graficamente para serem consultados quando da ocorrncia de defeitos em determinados lotes de peas.

Para medir a resistncia da areia utilizam-se equipamentos com acionamento hidrulico e mltiplas opes de ensaios. Normalmente possvel se medir resistncia

21


compresso (usual); resistncia trao (para areias com elevada resistncia); resistncia ao cizalhamento e flexo (mais importante para machos). Com o equipamento denominado 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 submetido 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 umidade da areia e existem dispositivos que indicam esse valor automaticamente.

Figura II.9 - Equipamento Multi-Teste para Areias Fonte: Catlogo George Fischer

22


Outros ensaios gerais (anlise granulomtrica da areia, teor de argila da areia base) ou especficos (como fluidez da resina, por exemplo) tambm podem ser realizados.

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 srie 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 antes 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,

23


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 inicial) 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 utilizados tambm no preparo de diversas composies de areias, como areia-silicato, areiaresina, 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 - normalmente denominada de areia coberta - j pronta.

Figura II.10 - Etapas da Reciclagem de Areias

24


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:

25


Aps um nmero no-determinado de reciclagens a areia pode se encontrar esgotada. 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 noreciclveis 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 resulta 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 algumas fundies tem feito a recuperao de alguns tipos de areia atravs de solues caseiras, isto , utilizando fornos ou pequenos britadores desativados.26


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. Assim as empresas participantes do plo poderiam no s recuperar a areia de forma econmica, como tambm repartir custos de laboratrios (anlise qumica e ensaios) e centralizar 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 - vrias empresas esto comeando a encarar a areia de fundio como matria prima ao invs de simples descarte.

27


II.4 - PROCESSOS DE FUNDIO EM AREIAEm ordem crescente de qualidade do molde ou macho - definida como r e s i s t n c i a e l e v a d a a l i a d a c a p a c i d a d e d e o b t e n o d e s e e s f i n a s - t e mo s : areia-verde; silicato de sdio; areia-resina e shell

Excludo: temos:

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 depende 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 orgnicos - tais como serragem - areia de moldagem . A Figura II.13a mostra como a resistncia 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-

28


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, polimerizando 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

29


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 recipiente 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 basculamento 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 produo de peas seriadas. A Figura II.15 mostra um molde (aberto) para produo simultnea 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 sustentao 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.

30


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

31


II.5 - MECANIZAO" C o mo a f u n d i o o r g a n i za s u a p r o d u o d e mo l d e s e m a c h o s ? "

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

32


Normalmente a fundio subdivide sua produo em trs grupos fisicamente distintos: GRUPO 1 - moldagem manual de pequenos lotes: um nmero reduzido de peas encomendadas pode inviabilizar a fabricao de placas-modelo, justificando a moldao manual. GRUPO 2 - moldagem mecanizada e/ou automatizada: em fundio com trabalho seriado 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 encomendas unitrias, no podem ser produzidas atravs das mquinas de moldar convencionais 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 fundies33


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, praticamente todas as operaes podem ser realizadas automaticamente, alcanando produtividade de at 150 moldes/hora, para moldes pequenos.

34


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, finas so normalmente produzidos por shell

machos mais complexos e de paredes moulding.

35


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 entre si e com os demais processos de fabricao"

36


Os processos discutidos no Captulo anterior se enquadram no grupo modelo noperecvel 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 tecnologia envolvido. Em seguida so dadas algumas caractersticas dos processos mais difundidos e dos processos que conjugam fundio e forjamento.

TABELA III.1 - PRINCIPAIS PROCESSOS DE MOLDAGEM PROCESSO MODELO MOLDE microfuso cera ou plstico pasta cermica molde cheio poliestireno areia fluida areia-verde metlico (shell); areia + aglomesilicato madeira, epxi ou rantes + aditivos modelo no-perecvel; areia-resina metlico (para os + molde perecvel shell demais) gua (opcional) grafite grafite modelo no-perecvel; gesso madeira ou epxi gesso molde semi-permaborracha borracha nente molde permanente dispensvel metal (coquilha) centrifugao no existe metlico molde permanente sob-presso dispensvel metal (matriz) Fonte: Fundamentals of Metal Casting (adaptao) GRUPO modelo e molde perecveis LIGAS quaisquer quaisquer

quaisquer ligas no-ferrosas quaisquer, menos ao quaisquer Zn, Al e Mg

III.1 - FUNDIO DE PRECISO (MICROFUSO)

37


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 prteses, 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.

38


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 aplicaes39


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 esquematizado 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

40


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 PRESSOO processo de injeo de metal sob presso e o de injeo de polmeros so similares, 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 tipo41


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 mquina fotogrfica, painis e maanetas de automveis, interruptores, etc.) tem sido substitudas por similares de plstico injetado a um custo significativamente inferior, comprometendo, 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

42


III.4 - PROCESSOS HBRIDOSOs 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 - tambm 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 acaba43


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 gravidade, 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 PROCESSOPrimeiramente 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

44


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 nmero 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 determinado fundido, fabricado por diversos processos, na hiptese de todos serem tecnicamente viveis. importante que, nessa avaliao, sejam comparados processos que resultem em peas com acabamento e tolerncia dimensional da mesma ordem de grandeza, 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 escolhido ser aquele que produza a pea (ou lote) dentro das especificaes e com o mnimo custo. Exceo regra do preo mnimo pode ocorrer no caso de produo de peas para a indstria aeronutica/areoespacial quando o fator segurana supera o aspecto custo.

45


Figura III.9 - Preo Unitrio Versus Nmero de Peas para Diversos Processos Fonte: Foundry Technology

46


IV - TCNICAS DE FUSO

IV.1 - FORNOS"Os fornos de induo aparecem com grande destaque q u a n d o o a s s u n t o f u s o d e me t a i s c o m a l t a q u a l i d a d e "

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 substituindo 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

47


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 fundies brasileiras:

IV.1.1 - FORNO A ARCO

48


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 existncia de um forno de partida e reduzir a flexibilidade, limitando alteraes constantes na49


composio qumica. Assim considera-se que o forno a canal vivel para grandes cargas (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 esquematizado 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. 4.50


Figura IV.4 - Decaimento da Corrente Induzida

Define-se ento espessura de penetrao (EP) como a distncia para a qual a corrente 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 magntica 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 h = 1 a 1,5 d (IV.3)

(IV.2)

51


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) EP (cm) capacidade (kg) 50 150 1000 10 5.8 2.3 3700 700 40 Fonte: Fundio - ABM 4000 1.1 5 10.000 0.7 1.4

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

52


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 sistema 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 escorificador (G).53


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.

54


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 percentual 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-desativao. 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 em55


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

56


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 descendo. Da advm a dificuldade de controle do produto no cubil, que feito de forma indireta: pela cor do metal que goteja (mais claro que o coque); pela cor da escria ( medida que se torna mais escura indica a presena de xidos metlicos), etc. Nas reas urbanas 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 cubil 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.

57


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 processo 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.

58


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 composio 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.

59


IV.2 - ROTINAS DE FUSO

"A partir dos conceitos de perdas de fuso, fundibilidade e gases nos metais e do c o n h e c i me n t o d a s p r o p r i e d a d e s f s i c a s d o s e l e me n t o s p o d e s e estabelecer uma rotina de fuso para cada metal ou liga"

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 durante 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 questo: assim num bronze silcio, o elemento que ter diminuda sua concentrao no banho ser o silcio. Estas perdas so tambm afetadas pelo tipo de forno e de atmosfera 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-

60


zadas para a fuso, de sucata de retalhos de chapas, em forno de reverberao ou rotativo 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.

61


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

62


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 defeitos de fundio. Nos aos, esse elemento normalmente se combina na forma de

nitretos ou carbonitretos que atuam como endurecedores da matriz. Nas ligas noferrosas 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.63


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 simultnea 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 menor (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 oxignio dissolvidos pela reduo da presso parcial desses gases na mistura. Mais im64


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 simultaneamente 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 como temperaturas de fuso e de vaporizao, tendncia oxidao e densidade dos metais ou ligas metlicas pois estas influenciam na ordem de adies e na forma pela qual estas adies sero feitas. Elementos (ou ligas) de menor densidade que o banho so colocados no fundo do forno ou panela, amarrados numa haste ou envelopados de forma a garantir sua completa dissoluo no banho.

65


Uma outra opo ao preparo de ligas a partir dos elementos puros a utilizao de ferro-ligas ou ligas auxiliares (ligas-me, ou ante-ligas) que so comercializadas com o intuito de uniformizar, dentro de certos limites, a temperatura de fuso e as densidades dos diversos elementos. Com isso, a rotina de fuso facilitada, mas especial ateno deve ser dada ao monitoramento da composio qumica, uma vez que as ligas auxiliares apresentam variaes de composio em torno dos teores nominais e contm - s vezes certas impurezas que podem ser nocivas a determinados materiais.

IV.2.5 - ROTINAS DE FUSO

A seguir so descritas - de forma resumida - as tcnicas de fuso para a obteno de ferros fundidos e algumas ligas no-ferrosas.

A. Ferro Fundido:

A nomenclatura da ABNT para ferros fundidos cinzentos segue o modelo FCxx, onde xx o valor mnimo do limite de resistncia em kg/mm2 para uma barra padro de dimetro igual a 30 mm bruta e 20 mm aps usinagem. Assim, uma barra fundida - em separado - com = 30mm com ferro da classe FC25 exibir uma resistncia trao igual ou superior a 25 kg/mm2 (cerca de 245MPa), sendo que barras mais finas apresentaro, por conseguinte, maior resistncia. A nomenclatura ASTM similar, registrando as classes em funo da resistncia mnima em psi (x 1000). Dessa forma a classe 20 da ASTM (L.R. > 20.000 psi) equivalente ao FC15 (L.R. > 15 kg/mm2 ). A Figura IV.13 mostra como a resistncia do ferro decai com o aumento da espessura, para as diversas classes ASTM e a Figura IV.14 mostra a variao do Limite de Resistncia com o carbono equivalente, sendo que quanto maior o carbono equivalente menor ser a resistncia do ferro.

66


Figura IV.13 - Influncia da Espessura na Resistncia da Pea Fundida. Fonte: Metals Handbook, vol. 1

Figura IV.14 - Variao do L.R. com o Carbono Equivalente Fonte: Ibidem

Para os ferros nodulares adotada a nomenclatura Fexx0yy, onde xx se refere ao limite de resistncia mnimo (em kg/mm2) e yy porcentagem de elongao. As classes mais empregadas so as ABNT FE 38017 e a ABNT FE 42012 com, respectivamente, limite de resistncia igual ou superior a 370 e 410 MPa e elongao mnima de 17 e 12%.

A fuso de ferros fundidos feita a partir de um carregamento consistindo basicamente de ferro-gusa, retorno de fundio (ou sucata interna) e sucata de ao, devidamente balanceados para obteno da composio desejada. Alm disso so adicionados ferro-ligas para correo de teores dos diversos elementos, sendo que o forno mais indicado para a preparao do metal o forno de induo. Aps a fuso, o metal inoculado - normalmente com liga Fe-Si - em panela ou diretamente no molde, com o intuito de garantir uma microestrutura de clulas eutticas pequenas e homogneas. A inoculao tem um efeito positivo sobre a resistncia do ferro, conforme mostrado na Figura IV.14.

67


A produo de ferros fundidos nodulares tem crescido bastante pois este material apresenta propriedades intermedirias entre o ferro cinzento e o ao. Entretanto, a produo de ferro nodular acrescenta rotina de fuso do cinzento duas etapas dessulfurao e nodulizao - o que encarece o produto, quando comparado ao ferro cinzento. A nodulizao a etapa mais crtica do processo por empregar magnsio puro ou ligas contendo esse elemento.

O magnsio apresenta baixo ponto de fuso e de volatilizao, baixa densidade, um dessulfurante forte, alm de ser extremamente oxidvel ( empregado, inclusive na fabricao de fogos de artificio). Assim que diversos processos de nodulizao foram patenteados, sendo mais comumente utilizados a adio do elemento puro em panelas hermticas ou a adio de ligas Fe-Si-Mg pelo processo "sanduche" ou tundish cover.

A porcentagem de grafita em ndulos depende, entre outros fatores, do teor residual de magnsio - da ordem de 0,04% - e j que o Mg apresenta grande afinidade com o enxofre, a dessulfurao deve anteceder nodulizao. A frmula abaixo mostra a dependncia da quantidade de magnsio adicionado com o teor de enxofre e o rendimento de incorporao (): Mg adic. = (0,75 . %S + % Mg resid. ) / (IV.5)

Atualmente praticamente toda a pesquisa em ferro fundido tem se concentrado no desenvolvimento dos ferros nodulares austemperados - ferros nodulares ligados e sumetidos a tratamentos trmicos de austmpera - tambm chamados ADI (austempered ductile iron), que conjugam resistncia mecnica de 800 e 1400 MPa com elongao entre 20 e 2%.

68


O requisito de se partir de um ferro desoxidado, dessulfurado e com elevada temperatura para proceder nodulizao praticamente elimina a opo de se usar o cubil como forno de fuso nico.

B. Ligas No-ferrosas: Ligas base de alumnio:

Ligas base de alumnio tem tido seu campo de aplicao ampliado, substituindo, muitas vezes, componentes tradicionalmente fabricados em ferro fundido ou ao. Projees indicam que o consumo de ligas de alumnio em automveis mdios passe de cerca de 67kg/veculo em 1996 para cerca de 84kg no ano 2000.

A Aluminum Association designa as ligas de alumnio por 4 dgitos sendo que o primeiro se refere ao elemento de liga principal, conforme mostrado na Tabela IV.2. Os dois dgitos seguintes se referem ao teor aproximado de alumnio na liga, enquanto que o quarto dgito assume 0 para fundidos e 1 para lingotes.

TABELA IV.2 - DESIGNAO DAS LIGAS SEGUNDO A ALUMINUM ASSOCIATION Designao 1xx.x 2xx.x 3xx.x 4xx.x 5xx.x 7xx.x 8xx.x Elemento Principal Outros Elementos alumnio no-ligado -cobre -silcio Mg e/ou Cu silcio -magnsio -zinco Cu e/ou Mg e/ou Cr e/ou Mn estanho -Fonte: Metals Handbook, vol. 1

As ligas que contm silcio so extensivamente utilizadas na produo de peas fundidas, dada sua elevada fundibilidade. Entretanto quando o teor de silcio na liga se aproxima do valor do euttico do sistema Al-Si ( 12%) costuma ser necessrio um tra69


tamento de modificao do banho - atravs da adio de sdio - que consiste numa "nodulizao" do euttico, como forma de evitar uma drstica reduo de ductilidade.

Outras composies bastante empregadas na indstrias automobilstica e de autopeas so as ligas da famlia 300 como a 356.0 com (6,5-7,5)%Si - 0,6%Fe - 0,25%Cu 0,35%Mn - (0,20-0,45)%Mg que contm ainda pequenos teores de zinco, estanho,

chumbo e titnio. As ligas desta famlia podem ser vazadas por diferentes processos sendo utilizados principalmente os processos sob-presso, molde permanente e areia - e podem ser tratadas termicamente. Processos como squeeze casting e semi-solid

forging tambm tem sido empregados na fabricao de peas em ligas de alumnio.

A fuso das ligas de alumnio feita sob atmosfera neutra com fluxo protetor que minimize a oxidao do banho e a absoro de hidrognio. Mesmo assim quase sempre preciso recorrer desgaseificao com adio em panela de pastilhas de hexacloretano, que liberam gs cloro, promovendo um arraste do gs hidrognio. Como os vapores de gs cloro so altamente txicos importante o operador usar mscara para proteo de gases. A Figura III.15 mostra a associao porosidade com o teor de hidrognio na liga. Muito cuidado deve-se ter durante o vazamento pois a presena de filme de xido frente do jato lquido tripli

Documents

livro Fundição