UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO
FACULDADE DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO – MECÂNICA
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
Processos de Fundição
Prof. Jaques Jonas Santos Silva
Resende, RJ, novembro de 2009.
FAT/UERJ
FICHA CATALOGRÁFICA
1. ed. Silva, Jaques Jonas Santos, 1971
Apostila de Processos de Fabricação III – Fundição
/ Jaques Jonas Santos Silva. 1. ed. – Rio de Janeiro: 2009.
49p.
1. Processos de fabricação 2. Fundição 3.
Solidificação das ligas metálicas I. Título
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
2
FAT/UERJ
ÍNDICE
1
INTRODUÇÃO À ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO ................................................. 6
1.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 6
1.2 DEPARTAMENTOS DE UMA ORGANIZAÇÃO....................................................... 7
2
FUNDIÇÃO ..................................................................................................................... 10
2.1 FENÔMENOS QUE OCORREM NA SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS ............... 11
2.1.1 Cristalização............................................................................................................. 11
2.1.2 Contração de volume ............................................................................................... 12
2.1.3 Concentração de impurezas..................................................................................... 15
2.1.4 Desprendimento de gases ......................................................................................... 16
2.2 ETAPAS DA FUNDIÇÃO............................................................................................ 17
2.3 CARACTERÍSTICAS DOS PROCESSOS DE FUNDIÇÃO .................................... 19
2.3.1 Características das peças fundidas.......................................................................... 19
2.3.2 Defeitos comuns no processo ................................................................................... 19
2.3.3 Vantagens do processo ............................................................................................. 19
2.3.4 Desvantagens do processo........................................................................................ 20
2.4 CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE FUNDIÇÃO.......................................... 20
3
FUNDIÇÃO EM AREIA ................................................................................................. 22
3.1 CARACTERÍSTICAS DOS MOLDES PARA FUNDIÇÃO EM AREIA ................. 22
3.2 CARACTERÍSTICAS DAS AREIAS DE FUNDIÇÃO ............................................. 23
3.3 MATERIAIS UTILIZADOS PARA A MISTURA DAS AREIAS DE FUNDIÇÃO .. 23
3.3.1 Elemento refratário.................................................................................................. 23
3.3.2 Elemento aglomerante ............................................................................................. 24
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
3
FAT/UERJ
3.4 VARIANTES DOS PROCESSOS DE FUNDIÇÃO EM AREIA ............................... 25
3.5 FUNDIÇÃO EM AREIA VERDE ............................................................................... 25
3.5.1 Etapas da moldagem em areia verde....................................................................... 26
3.5.2 Vantagens ................................................................................................................. 28
3.5.3 Desvantagens............................................................................................................ 28
3.6 FUNDIÇÃO EM AREIA SECA (ESTUFADA) .......................................................... 29
3.7 FUNDIÇÃO EM AREIA COM CIMENTO ............................................................... 29
3.8 PROCESSO CO2 ......................................................................................................... 30
4
PROCESSOS DE FUNDIÇÃO DE PRECISÃO ............................................................ 31
4.1 FUNDIÇÃO EM CASCA ............................................................................................ 31
4.1.1 Vantagens ................................................................................................................. 32
4.1.2 Desvantagens............................................................................................................ 32
4.2 PROCESSO À CERA PERDIDA (PROCESSO DE INVESTIMENTO) ................. 33
4.2.1 Vantagens ................................................................................................................. 34
4.2.2 Desvantagens............................................................................................................ 34
5
FUNDIÇÃO EM GESSO ................................................................................................ 35
6
FUNDIÇÃO EM CERÂMICA........................................................................................ 36
7
MOLDAGEM PLENA .................................................................................................... 37
7.1 VANTAGENS............................................................................................................... 37
7.2 DESVANTAGENS ....................................................................................................... 37
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
4
FAT/UERJ
8
FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES (COQUILHAS) ................................... 38
8.1 VANTAGENS............................................................................................................... 39
8.2 DESVANTAGENS ....................................................................................................... 39
9
FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO .......................................................................................... 41
9.1 FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO EM CÂMARA QUENTE ........................................... 42
9.2 FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO EM CÂMARA FRIA .................................................. 43
9.3 VANTAGENS............................................................................................................... 43
9.4 DESVANTAGENS ....................................................................................................... 44
10
FUNDIÇÃO POR CENTRIFUGAÇÃO ..................................................................... 45
11
FUNDIÇÃO CONTÍNUA (LINGOTAMENTO CONTÍNUO)...................................... 47
12
BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................... 49
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
5
FAT/UERJ
1 INTRODUÇÃO À ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
1.1
INTRODUÇÃO
Um novo produto surge de uma necessidade do mercado. A fabricação deste
produto deve obedecer a um projeto que leve em conta todas as características do
produto e as condições às quais será submetido:
•
Dimensionamento;
Verificação de esforços;
Desgaste;
Vida útil;
Etc.
•
PRODUTO
•
PROJETO
•
•
Um bom projeto de produto não é o suficiente. Outros fatores igualmente
importantes devem ser observados:
•
Intercambiabilidade
entre
peças
e
componentes:
confere
confiabilidade ao produto para consumo em larga escala. Esta condição
pode ser atingida ainda em fase de projeto (tolerâncias de ajuste,
especificações de desvios, acúmulo de tolerâncias).
•
Qualidade: deve ser mantida constante ao longo dos lotes produzidos.
•
Custo final: deve ser o menor possível.
Estes são os pré-requisitos para que o produto seja competitivo.
Os dois últimos fatores (qualidade e custo) só podem ser manipulados após
o projeto ser liberado para a produção.
Entre o projeto do produto e sua produção, encontra-se uma metodologia de
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
6
FAT/UERJ
análise e tratamento tecnológico destes dois últimos fatores (qualidade e custo): a
Engenharia de Fabricação.
O diagrama da Figura 2 mostra onde a Engenharia de Fabricação está
inserida dentro do ciclo produtivo.
• Sugestões para alteração
do projeto
• Sugestões
• Problemas
• Estudos econômicos
• Alternativas
• Processos de
fabricação
• Tempos
• Métodos
• Arranjos
• Desenhos
• Especificações
ENGENHARIA
DE
PRODUTO
MARKETING
• Alterações
• Simplificações
• Melhorias de
desempenho
ENGENHARIA
DE
FABRICAÇÃO
• Especificações
• Normas
• Alterações das
PRODUÇÃO
• Experiências
• Capacidades dos
processos
CONTROLE
DE
QUALIDADE
especificações
PRODUTO
FINAL
• Qualidade préespecificada
• Pesquisas de aceitação
• Competição de mercado
MERCADO
Figura 2 - Diagrama do ciclo produtivo.
Conhecer os processos de fabricação é condição fundamental para o
desenvolvimento do ciclo produtivo de um produto.
1.2
DEPARTAMENTOS DE UMA ORGANIZAÇÃO
Departamentos que desempenham papel fundamental:
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
7
FAT/UERJ
a) Engenharia de produto:
•
Define dimensões, tolerâncias dimensionais e geométricas, acabamentos,
tratamentos, etc.
•
Testa os protótipos a fim de verificar sua funcionalidade e qualidade.
b) Produção:
•
Produz quantidades programadas dentro do prazo definido.
•
Deve ser subsidiado com informações técnicas de forma a antecipar eventuais
problemas.
c) Controle de qualidade:
•
Assegura que o produto ao final do ciclo de fabricação seja cópia fiel do
desenho originado no projeto.
•
Faz cumprir exigências dimensionais e especificações técnicas.
d) Engenharia de Fabricação:
1.3
•
Elo entre projetar, produzir e controlar a qualidade.
•
Processos de fabricação.
•
Tempos e métodos.
•
Arranjo físico.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO
Em um sentido estrito, podemos considerar os processos de fabricação mecânica
como os processos de modificação de um corpo metálico com o fim de lhe conferir
uma forma definida. Tais processos podem ser divididos em dois grupos:
a) Processos mecânicos: as modificações de forma são causadas pela aplicação de
tensões externas. Se as tensões aplicadas forem menores que a tensão de ruptura
do material, temos processos de conformação plástica, caso contrário, temos
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
8
FAT/UERJ
processos de usinagem (Figura 3).
b) Processos metalúrgicos: as modificações de forma são causadas por altas
temperaturas. Se as temperaturas aplicadas forem menores que a temperatura de
fusão do material, temos processos de sinterização, caso contrário, temos
processos de fusão / solidificação (Figura 3).
Processos de
conformação
dos metais
Processos
mecânicos
(σ)
Processos
metalúrgicos
(T)
Conformação
plástica
(σ < σr)
Usinagem
(σ > σr)
Sinterização
(T < Tf)
Fusão /
solidificação
(T > Tf)
Ex: forjamento,
estiramento.
Ex: torneamento,
fresagem.
Ex: metalurgia
do pó.
Ex: fundição,
soldagem.
Figura 3 - Organograma dos processos de fabricação.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
9
FAT/UERJ
2 FUNDIÇÃO
Fundição é o processo de fabricação de peças metálicas que consiste
basicamente no preenchimento de moldes (com as dimensões e formato da peça
desejada) com metal em estado líquido (Figura 4).
Figura 4 - Preenchimento de um molde de fundição com metal em estado líquido.
A fundição pode ser considerada como um processo inicial, pois pode-se
obter (além de peças praticamente acabadas) lingotes, tarugos e placas, os quais são
conformados mecanicamente para a obtenção de perfis, chapas, laminados, etc.
O processo de fundição é conhecido pelo homem desde aproximadamente
3.000 AC. Os primeiros metais a serem fundidos foram o cobre e o bronze.
O desenvolvimento de fornos de fundição com temperaturas de trabalho
mais altas e utensílios capazes de conter o ferro fundido permitiu que as primeiras
fundições de ferro fundido se desenvolvessem a partir de 1.340 D.C.
Atualmente os processos de fundição buscam o controle das propriedades e
microestruturas das ligas.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
10
FAT/UERJ
2.1
FENÔMENOS QUE OCORREM NA SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS
São os seguintes os fenômenos que ocorrem durante a solidificação dos
metais.
•
Cristalização;
•
Contração de volume;
•
Concentração de impurezas;
•
Desprendimento de gases.
Estes fenômenos tendem a influir negativamente no processo de fundição, e
são comuns a todas as variantes dos processos de fundição, em maior ou menor grau.
2.1.1 Cristalização
Durante a solidificação dos metais há o surgimento de estruturas cristalinas
sendo que o crescimento destas estruturas se dá de maneira não uniforme.
O crescimento das estruturas num processo de fundição é limitado e
influenciado pelas paredes dos moldes. Como as paredes dos moldes estão a uma
temperatura inferior à do metal fundido, surge no interior do molde preenchido com
metal fundido um gradiente de temperatura que favorece o crescimento das estruturas
em uma direção perpendicular às paredes do molde (crescimento dendrítico - Figura 5 e
Figura 6).
Figura 5 - Crescimento de uma dendrita.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
11
FAT/UERJ
Figura 6 – Dentritas em um lingote de aço.
Em moldes com cantos vivos1, o crescimento de grupos colunares de cristais
em paredes contíguas pode ocasionar o surgimento de planos diagonais, comprometendo
as propriedades mecânicas da peça. Em geral, as peças tendem a ser mais frágeis na
região destes planos, a qual é mais suscetível a fissuras e trincas (Figura 7).
(a)
(b)
Figura 7 - Efeito dos cantos na cristalização: (a) Paredes com cantos arredondados. (b) Paredes com
cantos vivos, evidenciando o surgimento de planos diagonais.
2.1.2 Contração de volume
Pode ser de três tipos:
•
Contração líquida: causada pelo aumento da densidade à medida que o
metal líquido é resfriado;
•
Contração de solidificação: causada pela cristalização durante a
solidificação;
1
Pontos onde não existe uma tangente definida.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
12
FAT/UERJ
•
Contração sólida: causada pelo resfriamento do metal solidificado,
desde a temperatura de solidificação até a temperatura ambiente.
A contração é expressa em porcentagem de volume ou, no caso da contração sólida, em
porcentagem de contração linear, a qual depende do material (ver Tabela 1).
Tabela 1 - Porcentagem de contração linear para alguns materiais metálicos:
Material
%Contração linear
Aço (0,35%C)
2,4
Alumínio
5,7
Cobre
7,3
Estanho
1,5
Ferro fundido branco
1,3 ~1,4
Ferro fundido cinzento
1,0
Ferro fundido maleável
1,2 ~1,3
Magnésio
5,8
Zinco
4,1
A contração dá origem a um defeito conhecido como “vazio” ou “rechupe”,
causado pela contração que se inicia na periferia do molde (temperatura mais baixa) e
avança até o centro (temperatura mais alta), o qual se solidifica por último (Figura 8).
Figura 8 - Formação do rechupe em um lingote fundido.
Outros efeitos indesejáveis da contração volumétrica:
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
13
FAT/UERJ
•
Surgimento de trincas;
•
Tensões residuais;
•
Alterações nas dimensões das peças.
O controle destes efeitos é obtido com o adequado projeto das peças ou
tratamentos térmicos para alívio de tensões (Figura 9).
Figura 9 – Exemplo de trincas a quente causadas pela contração volumétrica.
Os vazios ou rechupes podem ser eliminados através do provimento de
metal fundido às peças ou lingotes através de massalotes (Figura 10) ou alimentadores
(Figura 11).
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
14
FAT/UERJ
Figura 10 - Uso do massalote para prevenção do rechupe em um lingote.
Figura 11 - Uso do alimentador para prevenção do rechupe em uma peça fundida.
2.1.3 Concentração de impurezas
Nos processos de fundição, os metais (ou suas ligas) vazados nos moldes
possuem impurezas, as quais não puderam ser completamente eliminadas. Observe-se,
por exemplo, as impurezas presentes em uma liga de ferro-carbono:
Impurezas:
Ligas de Fe-C
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
•
Fósforo (P);
•
Enxofre (S);
•
Manganês (Mn);
•
Silício (Si).
15
FAT/UERJ
Como algumas impurezas são menos solúveis no estado sólido, durante a
solidificação estas acompanham o metal líquido, buscando maiores regiões de maiores
temperaturas (onde são mais solúveis), acumulando-se desta forma na última parte a se
solidificar (Figura 12).
A concentração de impurezas nestas regiões constitui num defeito conhecido
como segregação. A principal conseqüência da segregação é a heterogeneidade na
composição do material, conforme a seção considerada, com conseqüentes alterações
nas suas propriedades mecânicas.
Figura 12 - Segregação de impurezas em um cilindro fundido
A segregação pode ser atenuada com o controle rigoroso da composição
química das ligas ou o controle da velocidade de resfriamento.
2.1.4 Desprendimento de gases
Ocorre principalmente nas ligas de ferro-carbono, onde o oxigênio
dissolvido no metal tende a combinar-se com o carbono, formando CO (monóxido de
carbono) e CO2 (dióxido de carbono).
Durante a solidificação estes gases ficam retidos no interior das peças, na
forma de bolhas. Estas bolhas também podem chegar à superfície da peça, causando
imperfeições no acabamento das peças.
As bolhas podem ser evitadas com a adição de elementos desoxidantes (Si,
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
16
FAT/UERJ
Mn, Al) ao metal líquido. Ao combinar-se com o oxigênio, estes elementos formarão
óxidos, os quais se precipitarão (SiO2 , MnO2 , Al2O3 ).
A rigor, as bolhas não constituem maior problema nos aços de baixo
carbono, se após a fundição os mesmos forem submetidos a processos de laminação.
Durante a deformação causada por tais processos, as paredes das bolhas acabam por
unir-se por um processo semelhante aos processos de soldagem (caldeamento). Porém,
em aços de alto carbono, os quais possuem baixa soldabilidade, as bolhas devem ser
evitadas.
Além do oxigênio, também o hidrogênio (H2) e o nitrogênio (N2) podem ser
liberados durante a solidificação, causando porosidades, fissuras internas e alterações
nas características mecânicas do material.
2.2
ETAPAS DA FUNDIÇÃO
•
•
Ligas ferrosas
•
•
Aço
Ferro fundido
Fundidos
•
Ligas não ferrosas
Matérias
primas para a
fundição
•
•
Ligas de Cu
Ligas de Al
• Ligas de Zn
• Ligas de Mg
• Etc
•
•
Moldes e modelos
Madeiras
Areias
Ligas metálicas
• Ceras
• Materiais cerâmicos
• Polímeros
• Etc
•
•
Genericamente, pode-se resumir o processo de fundição às seguintes etapas:
a) Confecção do modelo: com o formato da peça a ser fundida, servirá para a
construção do molde. Suas dimensões devem prever a contração do metal e o
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
17
FAT/UERJ
sobremetal para posterior usinagem, se for o caso.
•
Materiais utilizados na
confecção do modelo
Madeira
• Alumínio
• Aço
• Resina
• Cera
• Isopor
• Etc
b) Confecção do molde: dispositivo que recebe o metal fundido para a obtenção da
peça. Consiste basicamente de uma cavidade deixada em um material pelo
modelo da peça a ser fundida.
•
Materiais utilizados na
confecção do molde
Areia
Cerâmicas
Ligas metálicas
• Gesso
• Cimento
• Etc
•
•
c) Confecção dos machos: dispositivos com a função de formar vazios, furos e
reentrâncias na peça. São colocados nos moldes antes de seu fechamento para
receber o metal líquido.
d) Fusão do metal: para vazamento nos moldes.
e) Vazamento: enchimento do molde com o metal líquido.
f) Desmoldagem: retirada da peça do molde após a solidificação do metal.
g) Rebarbação: retirada dos canais de alimentação, alimentadores, massalotes ou
rebarbas existentes.
h) Limpeza: pode ser necessária para eliminação de resíduos, dependendo do
processo.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
18
FAT/UERJ
2.3
CARACTERÍSTICAS DOS PROCESSOS DE FUNDIÇÃO
2.3.1
Características das peças fundidas
• Acréscimo de sobremetal para posterior usinagem;
• Furos pequenos, reentrâncias e detalhes não são, em geral, reproduzidos
satisfatoriamente (dificultam o processo), sendo obtidos posteriormente
por usinagem;
• Arredondamento de cantos para facilitar o preenchimento do molde e
evitar trincas.
2.3.2
Defeitos comuns no processo
• Inclusão de grãos de areia do molde nas paredes da peça (no caso da
fundição em moldes de areia) – abrasivos, causam defeitos na peça
submetida a posterior usinagem além de reduzir a vida útil das ferramentas
de corte;
• Vazios ou rechupes;
• Porosidade devido ao desprendimento de gases, comprometendo as
características mecânicas ou o acabamento superficial.
2.3.3
Vantagens do processo
• Em geral, os processos de fundição envolvem custos baixos;
• As peças podem apresentar desde formas mais simples até as mais
complexas, até mesmo impossíveis de serem obtidas por outros processos;
• As peças podem apresentar dimensões ilimitadas;
• O processo permite alto grau de automatização, adequando-se à produção
em série;
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
19
FAT/UERJ
• Podem ser reproduzidas peças com diversos padrões de acabamento e
tolerância.
2.3.4
Desvantagens do processo
• Em geral, limitado quanto ao grau de acabamento;
• Peças com menores limites de resistência mecânica quando comparadas às
peças produzidas por outros processos, devido ao resfriamento lento do
metal fundido nos moldes, o que propicia o surgimento de estruturas com
granulação grosseira;
• Necessidade de sempre se possuir um molde, o que pode ser desvantajoso
no caso de moldes destrutíveis, já que implica na confecção de um molde
para cada peça a ser produzida, tornando oneroso um volume de produção
mais elevado;
• Equipamentos de grande porte são necessários;
• Alto consumo de energia.
2.4
CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS DE FUNDIÇÃO
A qualidade de peças fundidas (tolerâncias dimensionais, acabamentos, etc)
está diretamente relacionada à qualidade do molde utilizado. Partindo-se deste princípio,
pode-se classificar os processos de fundição em relação aos moldes utilizados, conforme
o organograma mostrado na Figura 13.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
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FAT/UERJ
Classificação dos
processos de fundição
quanto ao moldes
Moldes
destrutíveis
Modelo
destrutível
Processo à cera
perdida
Moldes
permanentes
Modelo
permanente
Coquilhas
Fundição em
areia
Fundição sob
pressão
Fundição em
casca
Fundição por
centrifugação
Moldagem plena
Fundição em
gesso
Lingotamento
contínuo
Fundição em
cerâmica
Figura 13 – Organograma representando a classificação dos processos de fundição.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
21
FAT/UERJ
3 FUNDIÇÃO EM AREIA
O processo de fundição em areia consiste basicamente na compactação,
mecânica ou manual, de uma mistura refratária plástica (areia de fundição) sobre um
modelo montado em uma caixa de moldar (Figura 14).
A areia de fundição consiste de uma mistura de um elemento refratário
granular (areia) com um elemento aglomerante.
Figura 14- Molde para fundição em areia.
3.1
CARACTERÍSTICAS DOS MOLDES PARA FUNDIÇÃO EM AREIA
A fim de assegurar a qualidade das peças fundidas, algumas características
do molde devem ser observadas:
a) resistência: para suportar a pressão do metal líquido e a ação erosiva deste
durante o escoamento nos canais e cavidades de molde;
b) mínima geração de gás: a fim de evitar a contaminação do metal;
c) permeabilidade: para possibilitar a saída dos gases gerados durante o
processo de solidificação;
d) refratariedade: para suportar as altas temperaturas de fusão do metal;
e) desmoldabilidade: o molde deve permitir que a peça solidificada seja
desmoldada com relativa facilidade;
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
22
FAT/UERJ
f) estabilidade dimensional: deve ser alta o suficiente para não interferir nas
tolerâncias dimensionais da peça;
g) colapsabilidade: os machos devem colapsar sob as tensões causadas pela
contração volumétrica do metal durante a solidificação, de forma a evitar
trincas e o surgimento de tensões internas nas peças fundidas.
3.2
CARACTERÍSTICAS DAS AREIAS DE FUNDIÇÃO
Se a qualidade dos moldes dependem das características observadas no item
anterior, estas dependem das características das areais de fundição.
a) resistência: a qual depende principalmente do elemento aglomerante
utilizado para manter as partículas do material refratário coesas;
b) permeabilidade: à passagem dos gases;
c) refratariedade: a areia moldada deve ser capaz de resistir às altas
temperaturas de fusão dos metais sem que os grãos se fundam ou que o
elemento aglomerante perca sua capacidade de manter as partículas coesas;
d) teor de umidade: o qual afeta a permeabilidade (maior umidade, menor
permeabilidade), a resistência (maior umidade, menor resistência) e a
formação de gases (maior umidade, maior geração de gases);
e) fluidez: a qual afeta a moldabilidade, ou seja, a capacidade de fluência para o
preenchimento de cavidades, reentrância e detalhes.
3.3
MATERIAIS
UTILIZADOS
PARA A MISTURA DAS AREIAS
DE
FUNDIÇÃO
3.3.1
Elemento refratário
Geralmente utilizam-se areias silicosas, podendo ser:
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
23
FAT/UERJ
a) areias naturais: areia lavada (retirada de rios) ou saibro;
b) areias semi-sintéticas: mistura de areias naturais e aditivos para a correção
das propriedades;
c) areias sintéticas: a granulação e a composição são controladas para
otimização das propriedades.
Quanto ao uso, as areias podem ser:
a) de enchimento: com granulometria mais grosseira e de menor custo,
utilizado no enchimento das caixas de moldar;
b) de faceamento: de granulometria mais refinada e de maior custo, ficam em
contato com as faces do modelo de modo a propiciar um melhor acabamento;
c) de macho: utilizadas na confecção dos machos.
3.3.2
Elemento aglomerante
Irá conferir coesão às partículas do elemento refratário de forma a conferir
resistência mecânica ao molde. Podem ser orgânicos, inorgânicos ou minerais.
a) minerais: argilas ou cimentos;
b) orgânicos: óleos secativos2 e semi-secativos (óleos de linhaça, milho,
oiticica, mamona), farinhas de cereais (dextrina3, mogul4) e resinas (breu);
c) inorgânicos: bentonita.
2
Óleos que possuem a capacidade de polimerizar-se sob determinadas condições.
Derivado do milho, confere grande resistência ao molde.
4
Derivado do amido de milho.
3
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
24
FAT/UERJ
3.4
VARIANTES DOS PROCESSOS DE FUNDIÇÃO EM AREIA
Dependendo dos processos de conformação dos moldes e os materiais
utilizados, os processos em areia apresentam as seguintes variantes:
a) fundição em areia verde;
b) fundição em areia seca (ou estufada);
c) fundição em areia com cimento;
d) processo CO2.
3.5
FUNDIÇÃO EM AREIA VERDE
Dentre os processos de fundição é o mais simples e o de menor custo, sendo
também o mais utilizado.
A areia de fundição é composta de uma mistura de aproximadamente 75%
de areia silicosa, 20% de argila e 5% de água (composição média – varia conforme o
tipo de areia e da argila utilizada). A mistura recebe o nome de “areia verde” porque
mantém sua umidade original, não sendo necessária sua secagem em estufas. Os
componentes da areia de fundição são misturados secos com o auxílio de misturadores,
seguindo-se da adição, aos poucos, de água até a completa homogeneização da mistura.
A moldagem é realizada manualmente, com soquetes, ou mecanicamente, com auxílio
de máquinas de compressão, impacto, vibração ou projeção centrífuga. A areia utilizada
pode ser reaproveitada, chegando-se a obter índices de recuperação da ordem de 98%.
Os moldes em areia verde se prestam à fundição de metais ferrosos e nãoferrosos com rapidez e economia, adequando-se à produção em série.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
25
FAT/UERJ
3.5.1
Etapas da moldagem em areia verde
a) O modelo da peça é executado de acordo com o projeto da peça, prevendo-se
a contração volumétrica, o sobremetal e os alimentadores (Figura 15).
Projeto da peça a ser fundida
Linha de secção
Posicionadores do macho
Parte superior do modelo
Modelo da peça
Parte inferior do modelo
Figura 15 - Projetos da peça e do modelo.
b) Os machos, se necessários, são confeccionados em moldes apropriados.
c) A parte inferior do modelo é colocada no fundo da caixa de moldar sobre uma
superfície plana. O modelo é coberto com talco ou grafite para evitar a aderência
da areia, a qual deve preencher toda a caixa, sendo compactada manual ou
mecanicamente (Figura 16).
Parte inferior
do modelo
Areia
compactada
Figura 16 - Confecção da parte inferior do molde.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
26
FAT/UERJ
d) A parte inferior do molde é virada de modo que a cavidade fique para cima
(Figura 17).
Figura 17 - Parte inferior do molde pronta.
e) Os procedimentos dos itens c e d são repetidos para a parte superior do molde,
desta vez com a inclusão do alimentador e do canal de descida do metal líquido
(Figura 18).
Alimentador
Canal de descida
Figura 18 - Confecção da parte superior do molde.
f) Abrem-se as bacias do canal de alimentação e do alimentador (Figura 19).
Bacia do canal de
descida
Bacia do
alimentador
Figura 19 - Abertura das bacias do canal de alimentação e alimentador.
g) Abrem-se os canais de distribuição na parte inferior do molde (Figura 20).
Canal de
distribuição
Figura 20 - Parte superior do molde pronta.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
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FAT/UERJ
h) As partes superior e inferior do molde são unidas por presilhas ou grampos,
com o macho posicionado nos fixadores. O molde está pronto para receber o
metal líquido (Figura 21).
Macho
posicionado
Canal de
descida
Alimentador
Parte superior do
molde
Aba de fixação
das presilhas ou
grampos
Canal de
distribuição
Parte inferior do
molde
Figura 21 - Molde pronto para o vazamento do metal fundido.
3.5.2
Vantagens
a) Baixo custo;
b) não requer o uso de equipamentos especiais;
c) areias naturais ou sintéticas podem ser utilizadas, com o mínimo acréscimo
de aditivos;
d) a areia pode ser recuperada;
e) fácil desmoldagem.
3.5.3
Desvantagens
a) Limitado para grandes peças devido às limitações de resistência mecânica do
molde;
b) acabamento superficial limitado;
c) limitado quanto às tolerâncias dimensionais;
d) incrustações de areia na superfície das peças.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
28
FAT/UERJ
3.6
FUNDIÇÃO EM AREIA SECA (ESTUFADA)
Este processo é semelhante ao processo em areia verde, com a diferença que
a areia de fundição, neste caso, é composta por uma mistura de areias sintéticas ou semisintéticas e aglomerantes orgânicos ou inorgânicos. O processo de conformação dos
moldes é idêntico ao processo em areia verde.
Os moldes depois de conformados são secos em estufas a temperaturas entre
150ºC e 300ºC, ou queimados com maçaricos de forma a consolidar a resistência
mecânica do molde. A superfície do molde que irá entrar em contato com o metal
fundido pode, eventualmente, ser protegida com tinta refratária para um melhor
acabamento.
Devido à maior resistência mecânica dos moldes, este processo é adequado
à fundição de peças de grandes dimensões e peso elevado. Os moldes em areia seca
permitem ainda um melhor acabamento superficial, além de serem mais permeáveis que
os moldes em areia verde, devido à ausência umidade residual. O processo de secagem
produz ainda moldes com melhor estabilidade dimensional, proporcionando a obtenção
de peças com melhores tolerâncias. Ao contrário do processo com areia verde, a areia
neste caso não é reutilizável.
3.7
FUNDIÇÃO EM AREIA COM CIMENTO
Neste processo a areia de fundição consiste em uma mistura de areia
silicosa, cimento portland e água. Os moldes feitos com esta mistura passam por um
processo de secagem sem que seja necessária a utilização de fornos ou estufas (o calor
liberado pela reação exotérmica do cimento e água é o suficiente para a secagem do
molde).
O molde resultante apresenta elevada resistência mecânica, prestando-se à
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
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FAT/UERJ
fundição de peças grandes e pesadas. Entretanto, devido à natureza do aglomerante, a
desmoldagem é dificultada, além do que a areia não é reutilizável. Pode-se citar ainda
como desvantagem o custo da mistura, o qual é relativamente maior comparando-se aos
outros processos de fundição em areia.
3.8
PROCESSO CO2
Neste processo, a areia é aglomerada com silicato de sódio (2,5% a 6,0% em
peso). Após a moldagem, o molde é submetido a um tratamento com CO2, fazendo com
que o silicato de sódio transforme-se em sílica-gel, conferindo grande resistência ao
molde e reduzindo o teor de umidade residual, já que este é um material higroscópico.
Na2SiO3 + H2O + CO2
silicato de sódio
Na2CO3 + SiO2.H2O
sílica-gel
O processo permite a confecção de peças com precisão dimensional
superiores à peças produzidas através do processo com areia seca , produção rápida de
moldes com alta resistência sem a necessidade de estufas, prestando-se à produção de
peças com quaisquer dimensões.
Entre as desvantagens, pode-se citar o custo relativamente elevado do CO2 e
do silicato de sódio, além da impossibilidade da reutilização da areia. Devido ao elevado
custo do processo, pode-se utilizar o processo CO2 apenas no faceamento da peça.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
30
FAT/UERJ
4 PROCESSOS DE FUNDIÇÃO DE PRECISÃO
4.1
FUNDIÇÃO EM CASCA
Neste processo, o molde é confeccionado a partir de uma mistura de areia
com uma resina termofixa polimerizável a quente, na proporção de 3% a 10% em peso.
O modelo confeccionado em material metálico é envolvido pela mistura e aquecido
entre 177ºC e 260ºC de forma a polimerizar a resina. O conjunto molde + modelo é
levado a uma estufa para o processo de cura a cerca de 350ºC. (Figura 22).
Figura 22 - Processo de confecção do molde para fundição em casca: (1) modelo coberto com areia +
resina, (2) aquecimento, (3) retirada do excesso de areia não polimerizada, (4) cura do molde, (5) extração
do modelo do molde.
O resultado é uma casca fina e rígida com o formato do modelo (Figura 23).
Dependendo do tempo de aquecimento do modelo (de 15 a 60 segundos) pode-se obter
cascas com espessuras de 5mm a 10mm.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
31
FAT/UERJ
Figura 23 - Duas metades de um molde produzido para o processo de fundição em casca.
A outra metade do molde é executada de modo semelhante, sendo as duas
partes coladas de forma a se obter o molde final. No caso da necessidade de utilização
de machos, as duas partes (com os machos posicionados) são fechadas com grampos ou
colados após o correto posicionamento dos machos.
4.1.1
Vantagens
a) Boa precisão dimensional devido à alta rigidez da casca;
b) Devido à pequena espessura da casca, pode-se empregar areia com
granulometria refinada (melhor acabamento) sem prejuízo da permeabilidade.
4.1.2
Desvantagens
a) Custo maior do modelo, o qual deve ser metálico (geralmente alumínio ou
ferro fundido) e isento de defeitos superficiais;
b) Custo elevado da mistura areia + resina;
c) Dimensões das peças são limitadas quando comparadas às produzidas por
fundição em areia;
d) A mistura da areia de fundição é de difícil manuseio e armazenamento.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
32
FAT/UERJ
4.2
PROCESSO À CERA PERDIDA (PROCESSO DE INVESTIMENTO)
Neste processo os modelos são confeccionados em cera ou termoplástico
através da injeção destes materiais em matrizes próprias. Os modelos são então
montados ao redor de um canal central (confeccionado com o mesmo material do
modelo), formando uma “árvore de modelos” (Figura 24, Figura 27).
Molde para
confecção dos
modelos
Injeção
de cera ou
termoplástico
Modelo
pronto
Montagem da árvore
de modelos
A “árvore de modelos” é banhada em uma lama refratária (constituída a
partir de gesso, pó de sílica ou pó de zircônia) sendo logo após recoberta por uma
camada de areia (Figura 25).
Banho em lama
refratária
Cobertura de
areia
Árvore de
modelos pronta
Figura 25 - Confecção do molde.
O molde então é aquecido de forma a consolidar a sua resistência mecânica
e eliminação da umidade. No aquecimento, os modelos e os canais são derretidos e
deixam o molde, podendo o material ser posteriormente reaproveitado. Seguem-se então
os processos de vazamento do metal líquido, desmoldagem, corte dos canais,
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
33
FAT/UERJ
rebarbamento e acabamento final (Figura 26).
Aquecimento
da árvore de
modelos
Calor
Metal fundido
Calor
Peças prontas
Cera ou
termoplástico
derretido
Vazamento
Desmoldagem
Figura 26 - Finalização do molde, vazamento e peças prontas.
Figura 27 - Modelo em cera (à direita) e peças produzidas (à esquerda).
4.2.1
Vantagens
a) Produção em série de peças com geometrias complexas;
b) Acabamento melhor que no processo de fundição em casca.
4.2.2
Desvantagens
a) Custo do molde (matriz) para a confecção dos modelos em cera ou
termoplástico;
b) Relação entre o peso das peças e o peso do canal geralmente é baixa.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
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FAT/UERJ
5 FUNDIÇÃO EM GESSO
A fundição em gesso é um processo bastante antigo, utilizado a
aproximadamente 4.000 anos pelos chineses, e utiliza-se de moldes em gesso para a
fundição de metais não ferrosos.
Este processo apresenta bom acabamento e boa precisão dimensional,
porém a baixa permeabilidade do gesso dificulta o escape dos gases gerados na
solidificação. Em função desta desvantagem, foram criadas as seguintes variantes do
processo:
a) Antioch: os moldes em gesso são levados à um forno autoclave com vapor a
temperatura elevada, de forma a se obter um material poroso.
b) Gesso esponjoso: neste processo, a porosidade do material é obtida com a
adição de detergentes à mistura para a retenção de ar.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
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6 FUNDIÇÃO EM CERÂMICA
Este processo é empregado na fundição de peças que exigem grande
precisão dimensional, e utiliza-se de moldes construídos a partir de uma pasta refratária
à base de pó cerâmico e um aglomerante catalítico (silicato alcalino). Os moldes são
executados de forma semelhante aos moldes em areia.
As principais variantes do processo de fundição em cerâmica são o processo
shaw e o processo unicast:
a) Processo shaw: os moldes são aquecidos para que o álcool presente no
catalisador evapore, resultando em uma malha de fissuras finas no molde,
tornando-o permeável.
b) Processo unicast: o molde é submetido à um banho químico, o qual reage
com o catalisador e resulta em um material esponjoso e permeável.
Em ambos os casos, os moldes são curados em estufas a temperaturas da
ordem de 980ºC por aproximadamente uma hora, após o que são montados com o
posicionamento dos machos, se necessários.
Os moldes resultantes deste processo possuem alta resistência e coeficiente
de dilatação térmica próximo a zero, possibilitando a fundição de peças de alta precisão.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
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7 MOLDAGEM PLENA
Este processo é patenteado pela Full Mold Process, Inc, e emprega modelos
confeccionados em espuma de poliestireno. Blocos e chapas deste material são cortados
e colados com o formato da peça desejada para a confeccção do molde. Devido ao baixo
peso específico da espuma de poliestireno (16Kg/m3) podem ser confeccionados
modelos de grandes dimensões.
O modelo é colocado em uma caixa de moldar, a qual é preenchida com
areia de fundição. Não há necessidade da retirada do modelo do interior do molde, pois
este vaporiza-se quando o metal fundido é vazado no molde.
7.1 VANTAGENS
a) Uma quantidade menor de aglomerante é necessária na mistura da areia de
fundição;
b) Furos e reentrâncias podem ser reproduzidos no modelo, sem a necessidade
de machos, já que não há a necessidade de se retirar o modelo do molde;
c) Facilita a reprodução de geometrias complexas.
7.2 DESVANTAGENS
a) Geração de gás e resíduos devido à vaporização da espuma de poliestireno,
prejudicando o acabamento (geralmente mais grosseiro que em outros
processos).
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
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FAT/UERJ
8 FUNDIÇÃO EM MOLDES PERMANENTES (COQUILHAS)
Nos processos com moldes permanentes, o molde (também chamado de
coquilha) é confeccionado em material metálico (ferro fundido, aço e, mais raramente,
bronze), sendo que não há necessidade da sua destruição para a retirada da peça fundida
(Figura 28).
Figura 28- Molde permanente (coquilha).
A vida útil do molde depende do material a ser vazado e da temperatura de
vazamento da liga, podendo varia, por exemplo, de 5.000 peças (de ferro fundido) até
1.000.000 peças (de ligas de magnésio e zinco).
A alta condutibilidade térmica dos materiais dos moldes permite um
resfriamento rápido do fundido, proporcionando o surgimento de granulações mais
refinadas na estrutura da peça fundida, com a conseqüente melhora de suas propriedades
mecânicas. Por este motivo, peças fabricadas por fundição que necessitem de seções
com elevada resistência mecânica podem ser produzidas através de moldes mistos, ou
seja, moldes produzidos por outros processos e com seções coquilhadas naquelas
regiões onde se deseja ter uma resistência mecânica mais elevada (Figura 29).
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
38
FAT/UERJ
Figura 29 - Molde misto para fundição de um cilindro de laminação. A seção coquilhada apresentará
resistência mecânica maior que nas outras seções.
O vazamento do metal líquido nos moldes permanentes pode se dar por
gravidade ou por pressão.
8.1 VANTAGENS
a) Bom acabamento superficial;
b) Estreitas tolerâncias dimensionais;
c) Melhora nas propriedades mecânicas quando comparadas a outros processos
de fundição.
8.2 DESVANTAGENS
a) Alto custo do molde;
b) Processo limitado a peças de tamanho relativamente pequeno ou médio;
c) Excessivamente oneroso para séries pequenas;
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
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FAT/UERJ
d) Nem todas as ligas podem ser fundidas em moldes permanentes
(principalmente nos processos de fundição sob pressão);
e) Peças de geometria complexa dificultam o projeto do molde e a extração da
peça fundida de seu interior.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
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FAT/UERJ
9 FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO
Nos processos de fundição sob pressão, o metal fundido é submetido a uma
pressão de forma a forçá-lo a penetrar na cavidade do molde (neste caso também
chamado de matriz).
As matrizes são confeccionadas em aço-ferramenta tratado termicamente e
são geralmente construídas em duas partes as quais são hermeticamente fechadas no
momento do vazamento do metal líquido. O metal é bombeado na cavidade da matriz
sob uma pressão suficiente para o preenchimento total de todas as suas cavidades e
reentrâncias. A pressão é mantida até que o metal se solidifique, no que então a matriz é
aberta e a peça ejetada por meio de pinos acionados hidraulicamente (Figura 30). As
matrizes podem ser refrigeradas a água para evitar seu superaquecimento, aumentando
sua vida útil e evitando defeitos nas peças.
Figura 30 - Matriz para fundição sob pressão.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
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FAT/UERJ
A fundição sob pressão é automatizada e é realizada em equipamentos de
câmara quente ou câmara fria.
9.1
FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO EM CÂMARA QUENTE
O processo de fundição sob pressão realizado na máquina de câmara quente
utiliza um equipamento no qual existe um recipiente aquecido onde o metal líquido está
depositado. No seu interior está um pistão hidráulico que, ao descer, força o metal
líquido a entrar em um canal que leva diretamente à matriz. A pressão exercida pelo
pistão faz com que todas as cavidades da matriz sejam preenchidas, formando-se assim
a peça. Após a solidificação do metal, o pistão retorna à sua posição inicial, mais metal
líquido entra na câmara, por meio de um orifício, e o processo se reinicia (Figura 31).
Figura 31 - Fundição sob pressão em câmara quente.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
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9.2
FUNDIÇÃO SOB PRESSÃO EM CÂMARA FRIA
Temperaturas de fusão mais altas da liga a ser fundida podem causar dano
ao sistema de bombeamento (cilindro e pistão). Nestes casos, utiliza-se a máquina de
fundição sob pressão de câmara fria, empregada principalmente para fundir ligas de
alumínio, magnésio e cobre.
O princípio de funcionamento desse equipamento é o mesmo das máquinas
de câmara quente, com a diferença que o forno que contém o metal líquido é
independente do equipamento, de modo que o sistema de injeção não fica dentro do
banho de metal (Figura 32).
Figura 32 - Fundição sob pressão em câmara fria.
9.3
VANTAGENS
a) Peças com maior resistência mecânica do que as fundidas em areia;
b) Produção de peças com formas mais complexas;
c) Tolerâncias dimensionais mais estreitas;
d) Alta capacidade de produção;
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
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9.4
DESVANTAGENS
a) Limitações no emprego do processo (utilizado para ligas não-ferrosas, com
poucas exceções);
b) Limitação no peso das peças (raramente superiores a 5 kg.);
c) Retenção de ar no interior das matrizes, originando peças incompletas e
porosidade na peça fundida;
d) Alto custo do equipamento e dos acessórios, limitando o seu emprego a
grandes volumes de produção.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
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10 FUNDIÇÃO POR CENTRIFUGAÇÃO
Este processo consiste no vazamento de metal líquido num molde
submetido a um movimento de rotação, o qual imprime ao metal líquido uma força
centrífuga a qual projeta o metal líquido de encontro às paredes do molde.
Uma das principais aplicações consiste na fabricação de tubos de ferro
fundido para linhas de suprimento de água. Neste caso, o equipamento empregado
consiste de um molde metálilco cilíndrico montado sobre roletes de forma a ser
submetido a um movimento de rotação. O cilindro é envolto por uma camisa d’água, a
qual proporciona o seu resfriamento. O metal líquido é vazado no interior do molde
através de uma calha, alimentada por uma panela de fundição. À medida em que o metal
líquido é vazado, o molde em rotação é deslocado longitudinalmente em relação á calha,
fazendo com que o metal líquido sofra a ação da força centrífuga, sendo projetado de
encontro à paredes do molde cilìndrico até a sua solidificação (Figura 33).
Figura 33 - Produção de tubos através da fundição por centrifugação (o macho em areia evita a projeção
do metal fundido para fora do molde).
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
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FAT/UERJ
O processo também pode ser aplicado em sistemas verticais para a produção
de peças tais como engrenagens, anéis, discos, flanges, etc (Figura 34).
Figura 34 - Sistema vertical de fundição por centrifugação.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
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11 FUNDIÇÃO CONTÍNUA (LINGOTAMENTO CONTÍNUO)
Neste processo são fundidas peças longas com seção quadrada, retangular,
hexagonal, etc, as quais serão posteriormente processadas por laminação, trefilação,
usinagem, etc.
O processo consiste, basicamente, no vazamento de metal fundido num
cadinho aquecido, sendo que o metal escoa através de uma matriz de grafita ou de cobre
resfriada à água. A barra, já no estado sólido é arrastada para frente com o auxílio de
cilindros de laminação, com velocidade correspondente à velocidade da frente de
solidificação do metal. As barras são posteriormente cortadas com auxílio de serras ou
chama de oxiacetileno para posterior processamento (Figura 35).
Figura 35 - Processo de fundição contínua.
PROCESSOS DE FABRICAÇÃO III
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Este processo é amplamente empregado na indústria siderúrgica para a
produção de placas, tarugos e barras de aço.
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12 BIBLIOGRAFIA
1. CHIAVERINI, VICENTE – Tecnologia Mecânica - Materiais de Construção
Mecânica Vol. II – 2ª Edição – Mc Graw Hill, São Paulo, SP – Brasil – 1986.
2. KALPAKJIAN, S. et al. – Manufacturing Engineering and Technology – Prentice
Hall – USA – 2000.
3. TORRE, J. – Manual de Fundição – Hemus, São Paulo, SP – Brasil – 1975.
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