PROCESSOS DE FABRICAÇÃO FUNDIÇÃO

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1 1 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO FUNDIÇÃO 1. Introdução Fundição é um processo de fabricação onde um metal ou liga metálica, no estado líquido, é vazado em um molde com formato e medidas correspondentes aos da peça a ser produzida. A peça produzida por fundição pode ter as formas e dimensões definitivas ou não. Em muitos casos após a fundição, a peça é usinada para serem feitos ajustes dimensionais ou mesmo conformada mecanicamente (por exemplo, ser forjada), para que as formas e dimensões finais sejam obtidas. Os processos de fundição apresentam algumas vantagens em relação a outros tipos de processos de fabricação, como no caso da produção de peças complexas e com cavidade internas, como pode ser observado na fig. 1, ou na produção de peças muito grandes. Fig.1- Peças produzidas por fundição. Por outro lado, as propriedades mecânicas de peças fundidas geralmente são inferiores às propriedades de peças conformadas mecanicamente. Além disso, durante o processo de solidificação pode haver formação de porosidade.

2 2 2. Fenômenos que ocorrem durante a solidificação no interior dos moldes: A solidificação dos metais no interior dos moldes é um dos mais importantes fatos que ocorrem na fundição. 2.1 Cristalização Consiste no aparecimento das primeiras células cristalinas unitárias, que servem como núcleos, para o posterior desenvolvimento ou crescimento dos cristais, dando, finalmente, origem aos grãos definitivos e à estrutura granular típica dos metais. Esse crescimento dos cristais não se dá, na realidade, de maneira uniforme, ou seja, a velocidade de crescimento não é a mesma em todas as direções, variando de acordo com os diferentes eixos cristalográficos; no interior de um molde, o crescimento é limitado pelas paredes deste. Como resultado, os núcleos metálicos e os grãos cristalinos resultantes adquirem os aspectos representados na fig. 2. a)

3 3 b) c) Fig.2 Dentrita originada na solidificação (a); aspecto típico da seção de um lingote (b); efeito dos cantos na cristalização (c). As dendritas formam-se em quantidades cada vez maiores até se encontrarem; o seu crescimento é, então, impedido pelo encontro das dentritas vizinhas, originando-se os grãos e os contornos de grãos, que delimitam cada grão cristalino, formando a massa sólida. Os efeitos indesejáveis resultam do fato dessas diagonais constituírem planos de maior fragilidade de modo que, durante a operação de conformação mecânica a que essas peças são submetidas posteriormente - como laminação -, podem surgir fissuras que inutilizam o material. Esse inconveniente é evitado arredondando-se os cantos. 2.2 Contração de volume Os metais, ao solidificar, sofrem uma contração. Na realidade, do estado liquido ao sólido, três contrações são verificadas. - contração líquida - correspondente ao abaixamento da temperatura até o início da solidificação; - contração de solidificação - correspondente à variação de volume que ocorre

4 4 durante a mudança do estado líquido para o sólido; - contração sólida - correspondente à variação de volume que ocorre já no estado sólido, desde a temperatura de fim de solidificação até a temperatura ambiente. A contração é expressa em porcentagem de volume. No caso da contração sólida, entretanto, a mesma é expressa linearmente, pois desse modo é mais fácil projetar-se os modelos. A contração sólida varia de acordo com a liga considerada. No caso dos aços fundidos, por exemplo, a contração linear, devida à variação de volume no estado sólido, varia de 2,18 a 2,47%, o valor menor correspondendo ao aço de mais alto carbono (0,90%). No caso dos ferros fundidos - uma das mais importantes ligas para fundição de peças - a contração sólida linear varia de 1 a 1,5%, o valor de 1 % correspondendo a ferro fundido cinzento comum e o valor 1,5% (mais precisamente de 1,3 a 1,5%) ao ferro nodular. Para os outros metais e ligas, a contração linear é muito variada, podendo atingir valores de 8 a 9% para níquel e ligas cobre-níquel. - Contração de solidificação: A maioria dos metais comercialmente utilizados apresenta contração durante o processo de solidificação. Isso deve ser levado em conta na fabricação do molde. Para compensar essa contração existe no projeto do molde à adição de um recipiente para o metal líquido chamado de massalote.

5 5 Esse massalote é a última parte a se solidificar e concentra a contração de solidificação. O massalote é retirado da peça após a solidificação e desmoldagem, sendo sucateado. Massalote espécie de reserva de metal que preenche os espaços que vão se formando à medida que a peça vai se solidificando e se contraindo. A fig.3 ilustra o fenômeno de contração. A tabela 1 apresenta algumas variações de volume durante a solidificação. Fig.3 - Ilustração esquemática do fenômeno de contração durante a solidificação, com o vazio ou chupagem resultante. A diferença entre os volumes no estado líquido e no estado sólido final dá como conseqüência o vazio ou chupagem, indicados nas partes (c) e (d) da figura. A parte (d) dá a entender também que a contração sólida ocasiona uma diminuição geral das dimensões da peça solidificada. Tabela 1. Variação de volume durante a solidificação. A maioria dos materiais metálicos apresenta redução de volume (-), mas ou apresentam expansão (+). Metal Variação de volume Alumínio -6,0 Zinco -5,1

6 6 Ouro -4,2 Cobre -4,15 Magnésio -4,1 Cádmio -4,0 Ferro -3,0 Estanho -2,3 Antimônio +0,95 Gálio +3,2 Bismuto +3,35 Germânio +5,0 Os vazios citados podem eventualmente ficar localizados na parte interna das peças, próximos da superfície; porém, invisíveis externamente. Além dessa conseqüência - vazio ou chupagem - a contração verificada na solidificação pode ocasionar: - aparecimento de trincas a quente; - aparecimento de tensões residuais. Método de controle ou eliminação da chupagem: Fig.4 Funil de vazamento (pouring cup), massalote ou alimentador (riser), canal de alimentação (runner), canal de descida (sprue), canal de entrada (gate), undido (casting).

7 7 Fig.5 Ocorrência de rechupe. Alimentador é o mesmo que massalote. 2.3 Concentração de impurezas - segregação Isto pode ocorrer devido à segregação, durante o processo de solidificação. Em ligas, os elementos com mais baixo ponto de fusão se concentram no líquido, sendo assim, a última região a solidificar é mais rica nesses elementos. O caso mais geral é o das ligas ferro-carbono, que contêm, como impurezas normais, o fósforo, o enxofre, o manganês, o silício e o próprio carbono. Ao solidificar, entretanto, algumas das impurezas são menos solúveis no estado sólido: P e S, por exemplo, nas ligas mencionadas. Assim sendo, à medida que a liga solidifica, esses elementos vão acompanhando o metal líquido remanescente, indo acumular-se, pois, na última parte sólida formada. O inconveniente dessa segregação é que o material acaba apresentando composição química não uniforme, conforme a secção considerada, e conseqüentes propriedades mecânicas diferentes.

8 8 Fig. 6 Segregação em peças laminadas e forjadas. Como as zonas segregadas se localizam no interior das peças, onde as tensões são mais baixas, as suas conseqüências não são muito perniciosas, devendo-se de qualquer modo, evitar uma grande concentração de impurezas, quer pelo controle mais rigoroso da composição química das ligas, quer pelo controle da própria velocidade de resfriamento. 2.4 Desprendimento de gases Esse fenômeno ocorre principalmente nas ligas ferro-carbono. O oxigênio dissolvido no ferro, por exemplo, tende a combinar-se com o carbono dessas ligas, formando os gases CO e CO 2 que escapam facilmente à atmosfera, enquanto a liga estiver no estado líquido. A medida, entretanto, que a viscosidade da massa liquida diminui, devido à queda de temperatura, fica mais difícil à fuga desses gases, os quais acabam ficando retidos nas proximidades da superfície das peças ou lingotes, na forma de bolhas. Em aços de baixo carbono, na forma de lingotes a serem forjadas ou laminadas, as bolhas não são prejudiciais, pois elas, às temperaturas de conformação mecânica, principalmente para a fabricação de chapas, têm suas paredes

9 9 soldadas. A rigor, essas bolhas podem ser até mesmo desejáveis. As bolhas devem ser evitadas, contudo, em aços de alto carbono; isso pode ser feito adicionando-se ao metal líquido substâncias chamadas "desoxidantes", tais como alguns tipos de ferro-ligas (ferro-silício, ferro-manganês) ou alumínio. De fato, o oxigênio reage de preferência com os elementos Si, Mn e AI, formando óxidos sólidos - Si0 2, MnO e AI 2 O 3 - impedindo, assim, que o oxigênio reaja com o carbono formando os gases CO e CO 2, responsáveis pela produção das bolhas. 3. Processos de fundição A fundição é um processo de fabricação inicial, porque permite a obtenção de peças com formas praticamente definitivas, com mínimas limitações de tamanho, formato e complexidade, e também é o processo pelo qual se fabricam os lingotes. É a partir do lingote que se realizam os processos de conformação mecânica para a obtenção de chapas, placas, perfis etc. Sempre que se fala em fundição, as pessoas logo pensam em ferro. Mas esse processo não se restringe só ao ferro, não. Ele pode ser empregado com os mais variados tipos de ligas metálicas, desde que elas apresentem as propriedades adequadas a esse processo, como por exemplo, temperatura de fusão e fluidez. A fundição começou a ser usada pelo homem mais ou menos uns 3000 a.c. Fundiu-se primeiro o cobre, depois o bronze, e, mais recentemente, o ferro, por causa da dificuldade em alcançar as temperaturas necessárias para a realização do processo. A arte cerâmica contribuiu bastante para isso,pois gerou as técnicas básicas para a execução dos moldes e para o uso controlado do calor já que forneceu

10 10 os materiais refratários para a construção de fornos e cadinhos. Sem dúvida, as descobertas da Revolução Industrial, como os fornos Cubilô os fornos eletricos, e a mecanização do processo, muito contribuíram para o desenvolvimento da fundição do ferro e, conseqüentemente, do aço. A maioria dos equipamentos de fundição foi concebida basicamente nesse período, quando surgiram também os vários métodos de fundição centrífuga. Ao século XX coube a tarefa de aperfeiçoar tudo isso. Para entender melhor a importância disso, basta lembrar que a produção de máquinas em geral e de máquinas-ferramenta, máquinas operatrizes e agrícolas é impensável sem a fundição. Estudando os processos de fabricação mecânica, você vai perceber que esses utilizam sempre produtos semi-acabados, ou seja, chapas, barras, perfis, tubos, fios e arames, como matéria-prima. Quer dizer, existem várias etapas de fabricação que devem ser realizadas antes que o material metálico se transforme em uma peça. Por outro lado, a fundição parte diretamente do metal líquido e, no mínimo, economiza etapas dentro do processo de fabricação. Vamos, então, ver mais algumas vantagens desse processo.

11 11 a) As peças fundidas podem apresentar formas externas e internas desde as mais simples até as bem complicadas, com formatos impossíveis de serem obtidos por outros processos. b) As peças fundidas podem apresentar dimensões limitadas somente pelas restrições das instalações onde são produzidas. Isso quer dizer que é possível produzir peças de poucos gramas de peso e com espessura de parede de apenas alguns milímetros ou pesando muitas toneladas. c) A fundição permite um alto grau de automatização e, com isso, a produção rápida e em série de grandes quantidades de peças. d) As peças fundidas podem ser produzidas dentro de padrões variados de acabamento (mais liso ou mais áspero) e tolerância dimensional (entre ± 0,2 mm e ± 6 mm) em função do processo de fundição usado. Por causa disso, há uma grande economia em operações de usinagem. e)a peça fundida possibilita grande economia de peso, porque permite a obtenção de paredes com espessuras quase ilimitadas. Fundição passo-a-passo A matéria-prima metálica para a produção de peças fundidas é constituída pelas ligas metálicas ferrosas (ligas de ferro e carbono) e não-ferrosas (ligas de cobre, alumínio, zinco e magnésio). O processo de fabricação dessas peças por meio de fundição pode ser resumido nas seguintes operações: 1. Confecção do modelo - Essa etapa consiste em construir um modelo com o formato aproximado da peça a ser fundida. Esse modelo vai servir para a construção do molde e suas dimensões devem prever a contração do metal

12 12 quando ele se solidificar bem como um eventual sobremetal para posterior usinagem da peça. Ele é feito de madeira, alumínio, aço, resina plástica e até isopor. 2. Confecção do molde - O molde é o dispositivo no qual o metal fundido é colocado para que se obtenha a peça desejada. Ele é feito de material refratário composto de areia e aglomerante. Esse material é moldado sobre o modelo que, após retirado, deixa uma cavidade com o formato da peça a ser fundida. 3. Confecção dos machos - Macho é um dispositivo, feito também de areia, que tem a finalidade de formar os vazios, furos e reentrâncias da peça. Eles são colocados nos moldes antes que eles sejam fechados para receber o metal líquido.

13 13 4. Fusão - Etapa em que acontece a fusão do metal. 5. Vazamento - O vazamento é o enchimento do molde com metal líquido. 6. Desmoldagem - Após determinado período de tempo em que a peça se solidifica dentro do molde, e que depende do tipo de peça, do tipo de molde e do metal (ou liga metálica), ela é retirada do molde (desmoldagem) manualmente ou por processos mecânicos. 7.Rebarbação - A rebarbação é a retirada dos canais de alimentação, massalotes e rebarbas que se formam durante a fundição. Ela é realizada quando a peça atinge temperaturas próximas às do ambiente.

14 14 8.Limpeza - A limpeza é necessária porque a peça apresenta uma série de incrustações da areia usada na confecção do molde. Geralmente ela é feita por meio de jatos abrasivos. Essa seqüência de etapas é a que normalmente é seguida no processo de fundição por gravidade em areia, que é o mais utilizado. Um exemplo bem comum de produto fabricado por esse processo é o bloco dos motores de automóveis e caminhões. O processo de fundição por gravidade com moldagem em areia apresenta variações. As principais são: fundição com moldagem em areia aglomerada com argila; fundição com moldagem em areia aglomerada com resinas. A fundição por gravidade usa também moldes cerâmicos. Esse processo recebe o nome de fundição de precisão. Existe ainda um outro processo de fundição por gravidade que usa moldes metálicos. Quando são usados moldes metálicos, não são necessárias as etapas de confecção do modelo e dos moldes. Outro processo que usa molde metálico é o processo de fundição sob pressão.

15 15 - Características e defeitos dos produtos fundidos Quando um novo produto é criado, ou quando se quer aperfeiçoar algo que já existe, o departamento de engenharia geralmente tem alguns critérios que ajudam a escolher o tipo de processo de fabricação para as peças projetadas. No caso da fundição, vários fatores podem ser considerados: formato e complexidade da peça tamanho da peça quantidade de peças a serem produzidas matéria-prima metálica que será usada Além disso, as peças fundidas apresentam características que estão estreitamente ligadas ao processo de fabricação como, por exemplo: acréscimo de sobremetal, ou seja, a camada extra de metal que será desbastada por processo de usinagem. furos pequenos e detalhes complexos não são feitos na peça porque dificultam o processo de fundição, embora apareçam no desenho. Esses detalhes são depois executados também por meio de usinagem. arredondamento de cantos e engrossamento das paredes da peça para evitar defeitos como trincas e melhorar o preenchimento com o metal líquido. Como em todo o processo, às vezes, alguma coisa "sai errada" e aparecem os defeitos. Alguns defeitos comuns das peças fundidas são: Inclusão da areia do molde nas paredes internas ou externas da peça. Isso causa problemas de usinagem: os grãos de areia são abrasivos e, por isso, estragam a ferramenta. Além disso, causam defeitos na superfície da peça usinada.

16 16 defeitos de composição da liga metálica que causam o aparecimento de partículas duras indesejáveis no material. Isso também causa desgaste da ferramenta de usinagem. rechupe, ou seja, falta de material devido ao processo de solidificação, causado por projeto de massalote malfeito. porosidade, ou seja, a existência de "buraquinhos" dentro da peça. Eles se originam quando os gases que existem dentro do metal líquido não são eliminados durante o processo de vazamento e solidificação. Isso causa fragilidade e defeitos superficiais na peça usinada. 3.1 O molde: uma peça fundamental A fase moldagem permite distinguir os vários processos de fundição, os quais são classificados da seguinte maneira: - moldagem em molde de areia ou temporário, por gravidade: areia verde areia seca areia-cimento - moldagem em molde metálico ou permanente: por gravidade sob pressão - moldagem pelo processo CO 2 ; - fundição por centrifugação; - fundição de precisão: em casca ou shell molding de cera perdida (de investimento)

17 17 Fig. 14 Modelo e respectivos canais Moldagem em areia Inicialmente, o molde deve preencher uma série de requisitos, sem os quais a fundição não se realiza nas melhores condições. a) resistência suficiente para suportar a pressão do metal líquido. b) resistência à ação erosiva do metal que escoa rapidamente durante o vazamento. c) mínima geração de gás durante o processo de vazamento e solidificação, a fim de impedir a contaminação do metal e o rompimento do molde. d) permeabilidade suficiente para que os gases gerados possam sair durante o vazamento do metal. e) refratariedade que permita suportar as altas temperaturas de fusão dos metais e que facilite a desmoldagem da peça. f) possibilidade de contração da peça, que acontece durante a solidificação.

18 18 O recipiente do molde ou "caixa de moldagem" é constituído de uma estrutura, geralmente metálica, de suficiente rigidez pura suportar o socamento da areia na operação de moldagem, assim como a pressão do material líquido durante a fundição. Geralmente a "caixa de moldagem" é construída em duas partes: caixa superior e caixa inferior e os modelos são montados em placa, como a Fig. 15 mostra. Fig. 15 Modelo em placa montada numa caixa de moldar. - Moldagem em areia verde É o processo mais simples e mais generalizado em fundições. Consiste em compactar, manualmente ou empregando máquinas de moldar, uma mistura refratária plástica - chamada areia de fundição -, composta essencialmente de areia silicosa, argila e água, sobre o modelo colocado ou montado na caixa de moldar. Confeccionada a cavidade do molde, o metal é imediatamente vazado no seu interior. Abaixo temos a seqüência de operações no processo de fundição em areia

19 19 verde, para o caso de uma peça simples. 1. A caixa de moldar é colocada sobre uma placa de madeira ou no chão. O modelo, coberto com talco ou grafite para evitar aderência da areia, é então colocado no fundo da caixa. A areia é compactada sobre o modelo manualmente ou com o auxílio de marteletes pneumáticos (II). 2. Essa caixa, chamada de caixa-fundo, é virada de modo que o modelo fique para cima (III). 3. Outra caixa de moldar, chamada de caixa-tampa, é então posta sobre a primeira caixa. Em seu interior são colocados o massalote e o canal de descida. Enche-se a caixa com areia que é socada até que a caixa fique completamente cheia (IV). 4. O canal de descida e o massalote são retirados e as caixas são separadas (V). 5. Abre-se o copo de vazamento na caixa-tampa (VI). 6. Abre-se o canal de distribuição e canal de entrada na caixa-fundo e retira-se o modelo (VII). 7. Coloca-se a caixa de cima sobre a caixa de baixo. Para prender uma na outra, usam-se presilhas ou grampos (VIII). 8. Vaza-se o metal, desmolda-se e corta-se os canais (IX). 9. Resultando-se a peça fundida (X).

20 20 A areia de fundição deve apresentar certas características que permitem uma moldagem fácil e segura. Entre eles, os mais importantes são: Plasticidade e consistência, moldabilidade;

21 21 dureza; resistência; refratariedade etc. laboratório. Para determinação dessas características, procede-se a ensaios de Os componentes de uma areia de fundição são os seguintes: - areia que é o constituinte básico, no qual devem ser considerados os característicos de pureza, granulometria (tamanho de grãos, distribuição granulométrica, dureza, forma dos grãos, integridade dos grãos, refratariedade, permeabilidade e expansibilidade; - argila, que constitui o aglomerante usual nas areias de fundição sintéticas (especialmente preparadas); - carvão moído, eventualmente, para melhorar o acabamento das peças fundidas; -dextrina, aglomerante orgânico, para conferir maior resistência mecânica à areia quando secada (estufada); - farinha de milho gelatinizada (Mogul), que melhora a qualidade de trabalhabilidade da areia; - breu em pó, também como aglomerante, que confere, principalmente em areia seca, grande resistência mecânica; - serragem, eventualmente, para atenuar os efeitos da expansão. Uma composição típica de areia sintética de fundição, de composição mais simples, e indicada para emprego geral na confecção dos moldes é a seguinte: - areia: argila: 20 - água: 4.

22 22 Para a confecção dos machos, as areias devem apresentar alta resistência depois de estufadas (secas), alta dureza, alta permeabilidade e inalterabilidade. Os seus componentes, além da areia natural e água, incluem vários tipos de aglomerantes, entre os quais podem ser citados o silicato de sódio, cimento portland, resinas, piche, melaços, farinha Mogul, óleos etc. e 250º C. Os machos são normalmente secados em estufa (estufados) entre 150º As areias de fundição são preparadas em misturadores especiais, onde os componentes são inicialmente misturados secos (durante 2 a 3 minutos), seguindo-se a mistura úmida pela adição, aos poucos, de água, até completa homogeneização da mistura. A areia usada, é, geralmente, reaproveitada, chegando-se a obter alto índice de recuperação (98%); inicialmente, logo após a desmoldagem, a areia deve ser peneirada; a seguir é levada ao misturador. A moldagem mecânica é empregada nas fundições modernas, para produção seriada e produção de moldes e, conseqüentemente, de peças fundidas, de qualidade superior.

23 23 Fig. 17 Três métodos de compactação da areia numa caixa de modelar: (a) Utilização de um dispositivo vibrador. (b) Comprimir e deixar com menos areia (e) Encher em excesso e nivelar. Fig. 18 Exemplo de machos simples localizados na caixa de moldar.

24 24 Fig. 19 Exemplo de fundição de paca com macho.

25 25 Vantagens e desvantagens da fundição utilizando areia verde: Moldagem em areia seca ou em molde estufado Nesse caso, a areia deve conter aditivos orgânicos para melhorar seus característicos; a secagem tem lugar em estufas apropriadas, a temperaturas que variam de 150 a 300 C. As vantagens dos moldes estufados são, em linhas gerais, maior resistência à pressão do metal líquido, maior estabilidade dimensional, maior dureza, maior permeabilidade e melhor acabamento das peças fundidas. Esse tipo de moldagem é empregado em peças de qualquer dimensão ou peso, sempre que se exige um melhor acabamento Molde de areia-cimento Este processo, em princípio, tem aplicação semelhante à dos moldes estufados. É preferido para moldagem de peças médias e grandes. Uma composição típica da areia de moldagem é a seguinte (porcentagem em peso): areia silicosa, 90%; cimento portland, 10%; e água, 8% Processo CO 2 É de aplicação relativamente recente. Utiliza-se para moldes e machos relativos a peças de quaisquer dimensões.

26 26 No processo, os moldes são do tipo convencional, de areia aglomerada com silicato de sódio (2,5 a 6,0% em peso). Depois de compactados, são eles submetidos a um tratamento com CO 2, que consiste na passagem de uma corrente desse gás através de sua secção. Ocorre uma reação entre o CO 2 e o silicato de sódio; forma-se sílica-gel, carbonato de sódio e água, resultando um endurecimento do molde, em tempo relativamente curto. Não há necessidade de estufagem, alcançando-se elevadas propriedades de dureza e resistência. O processo é empregado igualmente para a confecção de moldes de areia completos Processo de moldagem plena Nesse processo são utilizados como modelos espuma de poliestireno. A espuma de poliestireno pode ser facilmente cortada e podem ser obtidos com facilidade modelos bastante complexos. A moldagem é conduzida do mesmo modo que no processo de fundição em areia, mas o modelo não é retirado, pois durante o vazamento o poliestireno vaporiza, sendo substituído pelo metal. Algumas das vantagens do processo são: ângulos de saída e cantos arredondados não são necessários; pouca ou nenhuma quantidade de aglomerante misturada na areia; redução drástica da quantidade de machos; mão-de-obra menos qualificada. As desvantagens eventuais se relacionam com o gás gerado que pode ocasionar alguns problemas com o acabamento da superfície que, em geral, é mais grosseiro do que o obtido na moldagem normal. A figura 20 ilustra esse processo.

27 27 Fig. 20 Ilustração esquemática do processo de moldagem plena. 3.2 Moldagem em molde metálico Fundição em molde permanente; Fundição sob pressão; Moldes permanentes A aplicação mais conhecida é a da fundição de "lingotes", ou seja, peças de forma regular, cilíndrica ou prismática, que irão sofrer posterior processamento mecânico.

28 28 Fig. 21 Alguns dos tipos mais usados de lingiteiras. Os moldes, nesse caso, são chamados "lingoteiras". Os tipos verticais são empregados geralmente para a fundição de lingotes de aço, Os tipos horizontais são mais utilizados para metais e ligas não-ferrosos. A utilização dos moldes metálicos está restrita aos metais com temperatura de fusão mais baixa do que o ferro e o aço. Esses metais são representados pelas ligas com chumbo, zinco, alumínio, magnésio, certos bronzes e, excepcionalmente, o ferro fundido. O motivo dessa restrição é que as altas temperaturas necessárias à fusão do aço, por exemplo, danificariam os moldes de metal. Os moldes permanentes são feitos de aço ou ferro fundido ligado, resistente ao calor e às repetidas mudanças de temperatura. Moldes feitos de bronze podem ser usados para fundir estanho, chumbo e zinco.

29 29 Os produtos típicos da fundição em moldes permanentes são: bases de máquinas, blocos de cilindros de compressores, cabeçotes, bielas, pistões e cabeçotes de cilindros de motores de automóveis, coletores de admissão. Para fundir peças em moldes metálicos permanentes, pode-se vazar o metal por gravidade. Nesse caso, o molde consiste em duas ou mais partes unidas por meio de grampos para receber o metal líquido. Isso pode ser feito manualmente. Fig. 22 Fig Fundição sob pressão Os moldes metálicos utilizados em fundição sob pressão são chamados de matrizes. A matriz, feita de aço ferramenta tratado termicamente, é geralmente construída em duas partes que são fechadas hermeticamente no momento do vazamento do metal líquido. O metal é bombeado na cavidade da matriz sob pressão suficiente para o preenchimento total de todos os seus espaços e cavidades. A pressão é mantida até que o metal se solidifique. Então, a matriz é aberta e a peça ejetada por meio de pinos acionados hidraulicamente.

30 30 Muitas matrizes são refrigeradas a água. Isso é importante para evitar superaquecimento da matriz, aumentando sua vida útil e evitando defeitos nas peças. A fundição sob pressão é automatizada e realizada em máquina de câmara quente, que é ilustrada na figura 23 e máquina de câmara fria, que é ilustrada na figura 24. O processo de fundição sob pressão realizado na máquina de câmara quente utiliza um equipamento no qual existe um recipiente aquecido (forno), 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 o 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. Logo 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 reinicia. Fig. 23 Representação esquemática do processo de fundição sob pressão em câmara quente. Já a máquina de fundição sob pressão de câmara fria é utilizada, quando o metal fundido ataca o material do sistema de bombeamento (cilindro e pistão). Este

31 31 processo é empregado principalmente para fundir ligas de alumínio, magnésio e cobre. O princípio de funcionamento desse equipamento é o mesmo do equipamento que utiliza câmara quente. A diferença é que o forno que contém o metal líquido é uma unidade independente, de modo que o sistema de injeção não fica dentro do banho de metal. Fig.24 Representação esquemática do processo de fundição sob pressão em câmara fria (peça de alumínio e liga de cobre) As vantagens do processo de fundição sob pressão são as seguintes: 1. peças de ligas como as de alumínio, fundidas sob pressão, apresentam maiores resistências do que as fundidas em areia; 2. as peças fundidas sob pressão podem receber tratamento de superfície com um mínimo de preparo prévio da superfície; 3. possibilidade de produção de peças com formas mais complexas; 4. possibilidade de produção de peças com paredes mais finas e tolerâncias dimensionais mais estreitas; 5. alta capacidade de produção; alta durabilidade das matrizes. As desvantagens são:

32 32 1. limitações no emprego do processo: ele é usado para ligas não-ferrosas, com poucas exceções; 2. limitação no peso das peças (raramente superiores a 5 kg.); 3. retenção de ar no interior das matrizes, originando peças incompletas e porosidade na peça fundida; 4. alto custo do equipamento e dos acessórios, o que limita seu emprego a grandes volumes de produção. A indústria automobilística utiliza uma grande quantidade de peças fundidas sob pressão: tampas de válvulas, fechaduras, carcaças de motor de arranque, maçanetas, caixas de câmbio de máquinas agrícolas. O mesmo acontece com a indústria aeronáutica, que utiliza peças fundidas principalmente de ligas de alumínio e magnésio. Essa variedade de produtos indica a importância desse processo de fabricação dentro do setor de indústria metal-mecânica. 3.3 Outros processos de fundição Fundição por centrifugação O processo consiste em vazar-se metal líquido num molde dotado de movimento de rotação, de modo que a força centrífuga origine uma pressão além da gravidade, a qual força o metal líquido de encontro às paredes do molde onde solidifica, Um dos exemplos mais conhecidos de utilização do processo corresponde à fabricação de tubos de ferro fundido para linhas de suprimento de água. De acordo com a Figura 25, a máquina empregada consiste essencialmente de um molde metálico cilíndrico, montado em roletes, de modo que neles se possa aplicar o movimento de rotação. O cilindro é rodeado por uma camisa de água estacionária, montada, por sua vez em

33 33 rodas, de modo a permitir que o conjunto se movimente longitudinalmente. O metal líquido é vazado no interior do molde, por uma das extremidades, por intermédio de uma "calha" que é alimentada por uma "panela de fundição". No início da operação, a calha está localizada na extremidade oposta da entrada do metal. Nesse instante, iniciam-se os movimentos de rotação e longitudinal e a corrente líquida começa a fluir tangencialmente sobre a superfície do molde, onde é mantida pela força centrífuga originada, até solidificar. Terminado o processo, a máquina é parada e o tubo solidificado é facilmente retirado por intermédio de tenazes. Fig. 25 Sistema de fundição centrífuga para produção de tubos de ferro fundido. Usam-se, também, para outros tipos de peças, sistemas verticais de centrifugar. A Figura 26 ilustra esquematicamente esse processo.

34 34 Fig. 26 Sistema vertical de centrifugar Fundição de precisão Os processos de fundição de precisão utilizam um molde obtido pelo revestimento de um modelo consumível com uma pasta ou argamassa refratária que endurece a temperatura ambiente ou mediante adequado aquecimento. Uma vez endurecida essa pasta refratária, o modelo é consumido ou inutilizado. Tem-se assim uma casca endurecida que constitui o molde propriamente dito, com as cavidades correspondentes à peça que se deseja produzir. Vazado o metal líquido no interior do molde e solidificada a peça correspondente, o molde é igualmente inutilizado.

35 35 Assim, ao contrário do que ocorre na fundição em areia verde, onde o modelo é usado inúmeras vezes e o molde é inutilizado, nos processos de fundição de precisão, tanto o modelo como o molde são inutilizados. O modelo consumível é confeccionado a partir de matrizes, cujas cavidades correspondem à forma do modelo. Essa matriz é praticamente permanente. As principais vantagens da fundição de precisão são as seguintes: Possibilidade de produção em massa de peças de formas complicadas que são difíceis ou impossíveis de obter pelos processos convencionais de fundição ou por usinagem; possibilidade de reprodução de pormenores precisos, cantos vivos, paredes finas etc.; obtenção de maior precisão dimensional e superfícies mais macias; utilização de praticamente qualquer metal ou liga; as peças podem ser produzidas praticamente acabadas, necessitando pouca ou nenhuma usinagem posterior, o que torna mínima a importância de adotarem-se ligas fáceis de usinar; o processo permite rigoroso controle do tamanho e contornos dos grãos, solidificação direcional e orientação granular, o que resulta em controle mais preciso das propriedades mecânicas; o processo pode adotar fusão sob atmosfera protetora ou sob vácuo, o que permite a utilização de ligas que exijam tais condições. As principais limitações são: as dimensões e o peso são limitados, devido a considerações econômicas e físicas e devido à capacidade do equipamento disponível. O peso recomendado não deve ser superior a 5 kg; o investimento inicial para peças maiores ( de 5 a cerca de 25 kg) é

36 36 normalmente muito elevado. Alguns exemplos de peças obtidas por fundição de precisão: peças para motores de avião, de aço inoxidável, ligas resistentes ao calor etc.; sistemas de combustão de aviões, de aço inoxidável, ligas de alumínio e ligas resistentes ao calor; instrumentos de controle de aviões, de alumínio e suas ligas, ligas cobreberílio, ligas de magnésio, de bronze-silício etc.; em equipamento aeroespacial, de aço inoxidável, alumínio etc.; em equipamento de processamento de dados, de aços-liga, latão ao silício, ligas cobre-berílio, ligas de alumínio etc.; em motores elétricos, de aço doce, ligas cobre-berílio, latão ao silício, aço inoxidável, cobre etc.; em equipamento eletrônico de comunicações, de cobre-berílio, alumínio e suas ligas, bronze ao silício etc.; em turbinas a gás, de aço inoxidável, ligas de níquel, ligas resistentes ao calor e ao desgaste etc.; em armamentos de pequeno porte, de aços-liga, cobre-berílio etc.; em máquinas operatrizes e acessórios, em equipamento médico e odontológico; em equipamento óptico, em equipamento para indústria têxtil, em máquinas de escrever e equipamento de escritório, bem como em uma infinidade de outras aplicações. Um dos processos de fundição de precisão corresponde ao sistema de cera perdida, ilustrado na Figura 27. Etapas do processo de fundição de precisão por moldagem em cera perdida: 1. A cera fundida é injetada na matriz para a produção do molde e dos canais

37 37 de vazamento. 2. Os moldes de cera endurecida são montados no canal de alimentação ou vazamento. 3. Um recipiente metálico é colocado ao redor do grupo de modelos. 4. O recipiente é cheio com uma pasta ou lama refratária chamada investimento para confecção dos moldes. 5. O material do molde endurece e os modelos são derretidos e escoam. 6. O molde aquecido é preenchido com metal líquido por gravidade centrifugação ou a vácuo. 7. Depois que a peça se solidifica, o material do molde é quebrado para que a peça seja retirada. 8. As peças são rebarbadas e limpas. Fig. 27 Fundição de precisão pelo processo de cera perdida.

38 38 Fig. 28 Modelo de cera (vermelho) e as peças produzidas. Um segundo sistema de fundição de precisão corresponde à fundição em casca, também chamado de Shell molding Nele, o molde é confeccionado a partir de uma mistura de areia e uma resina, endurecível pelo calor, a qual atua como aglomerante. A mistura é colocada sobre a superfície de um modelo metálico. O conjunto é aquecido e endurece, resultando aderência mútua dos grãos de areia; forma-se, assim, uma casca resistente e rígida que constitui metade do molde. O modelo é então extraído. A outra metade do molde é confeccionada de modo idêntico. Prontos os moldes, são colocados os machos na sua cavidade, se necessários. As metades são juntadas e presas, geralmente por colagem. A Figura 29 mostra esquematicamente o processo de fundição em casca, pelo sistema manual de caixa basculante:

39 39 (a) a placa com o modelo, feito de metal, são aquecidos entre 177 e 260 C, é levada à caixa basculante, mantida na sua posição normal, contendo a areia de fundição; (b) a caixa basculante é girada de 180º para que a areia caia sobre o modelo aquecido; o calor provoca a fusão da resina e liga as partículas de areia; quanto mais longo o tempo de contato da areia com o modelo, mais espessa a casca resultante. Geralmente, uma casca com espessura variando de 4,7 a 9,5 mm é suficiente. O tempo necessário para atingir essa espessura varia de 15 a 60 segundos; (c) a caixa basculante é levada à sua posição normal; o conjunto completo de modelo e molde é estufado a cerca de 315ºC; (d) após 2 ou 3 minutos, o molde (casca) é extraído do modelo e está pronto para ser utilizado. (1) (2) (a e b)

40 40 (c) As vantagens do processo são as seguintes: 1. pode-se produzir peças com tolerâncias entre mais ou menos (0,127 mm, de modo que, em operações de usinagem para acabamento, menor quantidade de metal é removida. As tolerâncias de usinagem variam de 1,0 a 1,5 mm; 2. as peças fundidas em cascas podem apresentar acabamentos equivalentes a 3,2 mm ou superiores;

41 41 3. na presença de orifícios, os machos correspondentes podem freqüentemente fazer parte do modelo, de modo que são confeccionados e posicionados com maior precisão; na prática obtém-se orifícios relativamente pequenos, por exemplo em torno de 10 mm; 4. não há necessidade de prever ângulos de saída maiores que 1/2 a 1, facilitando a operação de usinagem final; 5. podem ser fundidas secções muito finas, por exemplo de 2,5 a 5 mm; os ângulos de concordância também são pequenos. É preciso cuidado para que isso não afete a resistência mecânica das peças; 6. qualquer tipo de metal, com característicos de fusão fácil, pode ser utilizado na produção de peças por fundição em casca; as dimensões destas podem atingir 1200 a 1500 mm, Contudo, a maioria das peças fundidas em casca possui a metade ou menos dessas dimensões. As desvantagens do processo são as seguintes: 1. o custo do modelo é maior, porque o mesmo deve ser metálico, geralmente alumínio ou ferro fundido; além disso, os modelos devem estar isentos de defeitos superficiais, os quais podem dificultar a remoção da casca. Do mesmo modo, a areia à base de resina é de custo relativamente elevado, além de ser mais difícil de armazenar e manusear; 2. as dimensões das peças fundidas em casca são limitadas, quando comparadas às peças produzidas em fundição convencional. Contudo, essas dimensões são geralmente maiores do que as obtidas por intermédio da fundição sob pressão.

42 Fundição contínua Neste processo, as peças fundidas são ( longas, com secções quadrada, retangular, hexagonal ou de formatos diversos. Em outras palavras, o processo funde barras de grande comprimento, com as secções mencionadas, as quais serão posteriormente processadas por usinagem ou pelos métodos de conformação mecânica no estado sólido.

43 43 4. Controle de qualidade de peças fundidas. A inspeção de peças fundidas como de peças produzidas por qualquer outro processo metalúrgico tem dois objetivos: rejeitar as peças defeituosas; preservar a qualidade das matérias-primas utilizadas na fundição e a sua mão-de-obra. O controle de qualidade compreende as seguintes etapas: 1. Inspeção visual para detectar defeitos visíveis, resultantes das operações de moldagem, confecção e colocação dos machos, de vazamento e limpeza; 2. Inspeção dimensional a qual é realizada geralmente em pequenos lotes produzidos antes que toda a série de peças seja fundida; 3. Inspeção metalúrgica que inclui análise química; exame metalográfico, para observação da microestrutura do material; ensaios mecânicos, para determinação de suas propriedades mecânicas, ensaios não-destrutivos, para verificar se os fundidos são totalmente sãos. Muitas vezes, uma inspeção, para ser completa, exige testes de uma montagem, onde são incluídas as peças fundidas e onde se simulam ou duplicam as condições esperadas em serviço. 5. Conclusões: O processo de fundição por gravidade, em areia, é o mais generalizado, pois peças de todas as dimensões e formas - exceto as mais complexas - e praticamente de qualquer metal podem ser fundidas em areia.

44 44 A fundição em moldes metálicos produz uma contração muito rápida que, em algumas ligas de menor resistência mecânica, pode resultar em fissuras. Por outro lado, certas ligas apresentam temperaturas de fusão que podem danificar os moldes metálicos. Entretanto, a fundição em moldes metálicos dá origem a peças com melhor acabamento superficial, dentro de tolerâncias dimensionais mais estreitas, com secções mais finas e exigem menos usinagem que as fundidas em areia. A tabela abaixo apresenta, em linhas gerais, uma comparação de alguns processos de fundição.