30 2.1.5. Questões técnicas críticas Em jeito de resumo daquilo que devem ser as preocupações fundamentais do operador metalúrgico, com vista à obtenção de fundidos sãos, apresentam-se de seguida uma lista de aspectos considerados mais críticos nos processos de fundição por vazamento em moldações permanentes, agrupados em questões relacionadas com 45 : a fusão do metal; o vazamento do metal líquido; a solidifcação da peça dentro da moldação; a extracção da peça solidificada da moldação. a) Fusão do metal i) A fusão do metal implica um fornecimento de quantidades de calor muito significiativas, permitindo atingir a temperatura de fusão, fundir o metal e atingir a temperatura de vazamento (sobreaquecimento). Devido à natureza dos fornos de fusão, nomeadamente à sua inércia térmica, esta última etapa é abordada muito rapidamente, pelo que se torna necessário, mormente em relação às ligas mais leves, controlar a temperatura de forma a impedir que esta atinga níveis perigosos. ii) Enquanto o metal está fundido fica sujeito aos fenómenos de oxidação, dissolução de gases e dissolução de outros materiais exógenos. A intensidade destes fenómenos é tanto maior quanto maior for a temperatura ou o tempo de espera até ao vazamento. Para minorar os seus efeitos o operador deve: controlar a temperatura do metal, controlar as propriedades das cargas metálicas colocadas no forno, controlar o estado do cadinho após cada fusão e controlar o estado de conservação das ferramentas de manutenção do metal. iii) Algumas ligas metálicas requerem, para além dos cuidados supracitados, tratamentos especiais para extracção do gás dissolvido ou para alteração da nucleação e consequente solidificação dos fundidos. b) Vazamento do metal O vazamento do metal fundido deve ser feito por forma a evitar ao máximo as turbulências e a manter um débito e um preenchimento da cavidade constantes. Relativamente a estes aspectos, cada peça é um caso particular, colocando problemas específicos ao operador metalúrgico. Outro aspecto crítico duranto o processo de vazamento é a manutenção do metal fundido em boas condições, nomeadamente em termos de temperatura (impedindo que arrefeça) e em termos de propriedades químicas (impedindo reacções de oxidação). 45 Cfr. Bibliografia nº4, capítulo V.
31 c) Solidificação da peça Este é um aspecto complexo e extremamente importante para a sanidade dos fundidos obtidos. Interessa aqui apenas relembrar que a forma como a peça solidifica depende das características da liga metálica vazada e da moldação. A forma como a moldação dissipa o calor é provavelmente aqui o aspecto mais importante. d) Extracção da peça Uma extracção da peça demasiado rápida pode dar origem à deformação ou ruptura da peça ou ainda ao escoamento de metal ainda no estado líquido. Por outro lado, uma extracção demasiado lenta pode originar o aparecimento de fissuras na peça 46 e um desgaste acentuado da moldação nas zonas que ficam envolvidas pelo metal da peça 47. Assim, a correcta temporização da extracção da peça é fundamental. Toda a arte do operador consiste em adoptar o ritmo de fabricação correspondente ao ciclo térmico da moldação. Note-se que é por vezes possível aumentar a cadência de trabalho arrefecendo a moldação artificialmente. Enfim, pode acontecer que o operador não consiga acompanhar o ciclo térmico da moldação. Nesse caso, torna-se necessário aquecer a moldação para adaptar o seu ciclo ao do operador 48. 46 A possibilidade de ocorrência deste defeito depende em grande medida da liga metálica utilizada. 47 Aliás, a contracção da peça em torno destas zonas da moldação pode inclusivamente dificultar a sua extracção. 48 Bibliografia nº4, página 38.
32 2.2. Fundição por gravidade 2.2.1. Definição e descrição do processo O processo de fundição em moldação metálica com vazamento por gravidade consiste em obter um fundido a partir do vazamento de metal líquido no interior de uma moldação metálica, também designada por coquilha, sendo o enchimento conseguido através da (simples) acção da força de gravidade 49. Imagem 16 - Vazamento por gravidade Fonte: Sítio de Internet nº6. Em fundição por gravidade em moldações permanentes o metal líquido é vazado por pressão gravítica num molde metálico, constituído por duas ou mais partes, o qual é usado repetidamente para a produção de peças com a mesma forma. Para definir as cavidades das peças vazadas são usualmente feitos machos simples removíveis em metal, mas alguns mais complexos são feitos em areia ou cerâmica. Quando se usam machos de areia ou cerâmica, o processo é chamado de fundição em moldações semipermanentes 50. Existem duas técnicas de vazamento sob a acção da gravidade: o vazamento estático, onde o metal é introduzido no topo do molde através de gitos de descida; e o vazamento inclinável, onde o metal é vazado numa bacia, enquanto o molde está numa posição horizontal e flui para a cavidade à medida que o molde é gradualmente inclinado para a posição vertical 51. Esta operação deverá ser efectuada simultaneamente com um movimento de basculamento da moldação, de forma a diminuir a turbulência gerada durante a operação. Por outro lado, iniciando-se o vazamento com a moldação numa posição próxima da horizontal, consegue-se que, durante toda a fase de enchimento, todo o ar presente no interior da coquilha esteja sempre numa posição superior relativamente ao metal líquido, o que facilita o seu escoamento através dos canais previstos para esse fim, ou através dos próprios alimentadores 52. 49 Bibliografia nº14. 50 Bibliografia nº5, página 186 51 Ver ponto 2.2.2, alínea b). 52 Bibliografia nº13.
33 A obtenção de peças por este processo compreende as quatro etapas seguintes: i) Ajuste da tempartura da coquilha. Este ajuste é efectuado a intervalos de tempo regulares, podendo consistir numa operação de aquecimento ou arrefecimento, cuja periodicidade depende de diversos factores a seguir enunciados 53 : Temperatura de vazamento do metal; Volume da peça a vazar; Geometria da peça a vazar; Espessura da moldação; Cadência de vazamento; Pintura refractária utilizada. ii) Pintura do interior da moldação com uma tinta refratária (ver ponto 2.1.2) 54. iii) Fechamento da moldação e vazamento do metal fundido. iv) Finalmente, e após um tempo de espera suficiente para que o fundido possa solidificar completamente procede-se à abertura da moldação e extracção da peça do seu interior. a) Vantagens O processo de fundição por vazamento em moldações permanentes sob gravidade apresenta as seguintes vantagens 55 : Elevada densidade e consequentes boas propriedades mecânicas dos fundidos (consequência da elevada condutividade térmica das moldações); Elevada uniformidade e exactidão dimensional dos fundidos (consequência da estabilidade das moldações); Eventual eliminação de algumas operações de maquinagem; Bom acabamento superficial; Possibilidade de utilização de machos perecíveis e de peças múltiplas, permitindo a produção de fundidos impossíveis de obter por fundição injectada; Melhoramento da atmosfera da fundição devido à eliminação dos fumos e poeiras normalmente associados às fundições em areia; Possibilidade de vazamento de uma vasta gama de ligas ferrosas e não ferrosas. b) Desvantagens Por outro lado, este processo apresenta igualmente os seguintes inconvenientes 56 : Elevado custo das ferramentas, o que torna o processo adequado apenas para grandes séries, sendo proibitivo para pequenas produções; 53 Bibliografia nº13. 54 Tanto esta operação como a anterior não são, normalmente, efectuadas em todos os ciclos. 55 Bibliografia nº8, páginas 83 e 84. 56 Bibliografia nº5, página 186 e nº8, página 84.
34 Limitações às formas dos fundidos (mormente as exteriores), devido à localização da linha de apartação, aos recortes sem ângulo de saída e a dificuldades na remoção das peças dos moldes; Necessidade de revestimentos para proteger o molde do ataque do metal fundido (ver ponto 2.1.2); Dificuldade de alteração posterior da moldação; Dificuldade de obtenção de secções muito finas (que podem ser conseguidas através da fundição injectada). 2.2.2. Equipamentos a) Moldações Usualmente as moldações metálicas para vazamento por gravidade são de construção relativamente simples, com a cavidade, os sistemas de alimentação, de gitagem e de ventilação todos atravessados pelo plano de apartação, o qual divide a moldação em duas metades. As meias-moldações podem ser articuladas, o que permite um correcto posicionamento relativo e facilita o seu fechamento manual. Para fundições com grandes nervuras e que requerem a retracção do molde sem rotação, pode-se utilizar um dispositivo de translacção operado manualmente em que as meias partes do molde podem ser separadas manualmente por deslocamento linear 57 (ver Imagem 17 e Imagem 18). Imagem 17 - Moldações metálicas para vazamento por gravidade: (a) rotação, (b) translacção Fonte: Bibliografia nº5, página 188. 57 Bibliografia nº5, página 188.
35 Imagem 18 - Moldação articulada para vazamento por gravidade Fonte: Bibliografia nº3, página 592. Actualmente a utilização de mecanismos de ar comprimido ou hidráulicos permite a automatização das operações de abertura, fechamento, colocação e retirada dos machos e ejecção das peças, tornando possíveis ciclos de produção inferiores a um minuto 58. No entanto, estes dispositivos são normalmente semi-automáticos, uma vez que o vazamento do metal líquido e por vezes também a remoção das peças são ainda operações manuais. 59 As moldações metálicas para vazamento por gravidade permitem a obtenção de furos perpendiculares ao plano de apartação através de machos metálicos acoplados às meias moldações e que, portanto, são automaticamente retirados aquando da abertura da moldação. Para a elaboração de furos mais complexos e/ou com outras disposições são utilizados machos de materiais perecíveis como a areia, o gesso ou, em casos mais raros, sais solúveis (os quais são retirados mergulhando a peça fundida num solvente) 60,61. As moldações são construídas em ferro fundido de alta qualidade ou em aço, o qual é pré-aquecido e mantido a temperaturas de funcionamento entre 300 e 400 graus Celsius. Sistemas de arrefecimento compreendendo alhetas, circulação de ar ou circulação de água permitem que a peça solidifique mais rapidamente, encurtando assim o ciclo de produção 62. 58 Bibliografia nº3. 59 Bibliografia nº5, página 188. 60 Bibliografia nº3. 61 Ver ponto 2.1.3. 62 Bibliografia nº3.
36 Imagem 19 - Máquina para vazamento inclinado em moldações permanentes Fonte: Sítio de Internet nº6. Existem ainda moldações colocadas em dispositivos que permitem o vazamento inclinado (ver Imagem 19), conforme descrito no seguinte excerto 63 (ver igualmente Imagem 20): As superfícies de apartação dos moldes permanentes com dispositivos mecânicos estão, em geral, num plano vertical, que é a posição preferida para a abertura das moldações e extracção das peças. Muitas peças, no entanto, são melhor vazadas com a linha de apartação num plano horizontal. Algumas peças com a linha de apartação horizontal são vazadas usando dispositivos com um mecanismo de inclinar. O vazamento é feito com um plano de apartação na horizontal, sendo a posição do molde posteriormente rodada para permitir a saída do ar durante o vazamento e para remoção da peça com a linha de apartação num plano vertical. Algumas peças são alimentadas parcialmente com o plano de apartação na horizontal e depois são rodadas lentamente até que a alimentação esteja completa. Por exemplo, no vazamento de uma figura para uma máquina de duplicação, numa moldação com um plano de apartação na vertical requer um longo caminho do metal fundido, que resulta num chapinhar e numa severa turbulência produzindo peças inaceitáveis. Para eliminar a elevada queda do metal, o molde é posicionado num aparelho de inclinação que permite que o metal seja introduzido no molde com a linha de apartação orientada inicialmente na horizontal. O corpo principal desta peça foi vazado com o molde nesta posição. O volume final da peça vazada foi então suavemente cheio ao mesmo tempo que o molde era rodado de 90º para posicionar a linha de apartação num plano vertical. Nesta posição a peça vazada foi deixada solidificar, sendo então retirada da moldação. 63 Bibliografia nº5, páginas 188 e 189.
37 Imagem 20 - Dois exemplos de vazamento inclinado Fonte: Bibliografia nº4, páginas 90 e 84, respectivamente. Um dos dispositivos de automatização mais avançados no que respeita às moldações permanentes para vazamento por gravidade é a mesa giratória ou processo Eaton (ver Imagem 21 e Imagem 22). Uma mesa giratória comum pode acomodar 12 dispositivos de fundição, completando uma revolução entre 2 a 7 minutos 64. À medida que mesa giratória (ou carrossel) vai girando, a velocidade constante, as moldações são automaticamente fechadas, o metal é vazado, passam por um ciclo de arrefecimento, são abertas e finalmente as peças são ejectadas das suas cavidades. As cavidades são então limpas com jactos de ar comprimido e são revestidas com uma película de carbono 65. Os machos, se os houver, são colocados na cavidade da moldação nesta fase. As moldações são então fechadas e um novo ciclo recomeça. As moldações colocadas no carrossel não têm de originar todas a mesma peça, desde que a sua concepção e a regulação da velocidade de rotação do carrossel permitam um arrefecimento necessário e suficiente para a obtenção de peças sãs 66. 64 Bibliografia nº5, página 189. 65 Esta película é aplicada através da chama de acetileno. O carbono assim depositado reduz o impacto térmico causado na moldação com a entrada do metal líquido, ajudando igualmente a criar uma atmosfera que dificulta eventuais reacções químicas. 66 Bibliografia nº8, página 102.
38 Imagem 21 - Mesa giratória com 12 moldações permanentes Fonte: Bibliografia nº8, página 101. Imagem 22 - Mesa giratória actual com 6 moldações permanentes Fonte: Sítio de Internet nº6. b) Sistemas de gitagem 67 As moldações permanentes podem ser alimentadas de várias formas: pelo topo; lateralmente; inferiormente. 67 Bibliografia nº5, páginas 194 e seguintes.
39 i) Canais de alimentação de topo Nesta disposição o gito e o reservatório são normalmente o mesmo. Secções finas são colocadas o mais longe possível do canal de alimentação de modo que a solidificação direccional seja feita em direcção ao canal de alimentação. Após vazamento, o canal de alimentação funciona como um reservatório. O metal no reservatório é o último a solidificar, assegurando assim a sanidade do metal ao longo do fundido. Imagem 23 - Exemplo de sistema de gitagem de topo Fonte: Bibliografia nº4, página 90. ii) Canal de alimentação lateral É frequentemente usado, particularmente para fundidos de alumínio. Neste sistema de alimentação o reservatório está no topo do fundido. O canal de alimentação estende-se além da parte lateral do fundido aproximadamente 90 % da sua altura, o que assegura que o metal no topo do fundido e no reservatório está mais quente que o primeiro metal a entrar no molde. Secções finas devem estar afastadas do canal de alimentação e do reservatório. A direcção da solidificação é desde a cavidade do molde em direcção ao canal de alimentação, e ao reservatório, para que a porosidade e contracção seja minimizada. Os sistemas de alimentação dos moldes permanentes são menos flexíveis do que o dos moldes em areia e estão sempre localizados próximo dos planos de apartação. Os canais de alimentação devem abastecer de metal todas as secções do fundido com velocidade suficientemente alta mas com mínima turbulência. Os sistemas de alimentação que permitem mínima turbulência são especialmente importantes na fundição de ligas de alumínio e magnésio porque esta cria quantidades excessivas de óxidos, que podem causar fundidos defeituosos. Os moldes para as ligas de magnésio e alumínio são vazados na posição vertical ou inclinados sobre a vertical. Com este método, o ar é prontamente deslocado e ventilado para fora da apartação do molde.