FUNDIÇÃO

1 - Introdução

O que é: É o processo de fabricação de peças metálicas que consiste essencialmente em encher com metal líquido a cavidade de um molde com formato e medidas correspondentes aos da peça a ser fabricada. A fundição é um dos processos mais antigos e também um dos mais versáteis, principalmente quando se considera os diferentes formatos e tamanhos das peças que se pode produzir por esse processo.

Vantagens e desvantagens:

Sua principal vantagem é obter, de maneira econômica, peças de geometria complexa. As fundições podem ser de materiais ferrosos ou não-ferrosos. 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.

O processo de fundição aplica-se a vários tipos de metais, tais como aços, ferros fundidos, alumínio, cobre, zinco, magnésio e respectivas ligas. Porém existem também desvantagens. Os aços fundidos, por exemplo, podem apresentar elevadas tensões residuais, microporosidade, zonamento e variações de tamanho de grão. Tais fatores resultam em menor resistência e ductilidade, quando comparados aos aços obtidos por outros processos de fabricação como conformação a quente.

Usos:

Exemplos de peças fundidas: acessórios de tubulações, peças de um forno, bloco do motor de automóveis e aviões, pistões, anéis dos pistões, bases de máquina ferramenta, rodas, e eixos de manivela.

2 - Fenômenos que ocorrem durante a solidificação

    Esses fenômenos são : cristalização, contração de volume, concentração de impurezas e desprendimento de gases.

    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, originando grãos cristalinos com os aspectos representados na Figura 1.

2.2 - Contração de volume

  Os metais, ao solidificarem, sofrem uma contração. A contração dá origem a uma heterogeneidade conhecida por vazio ou rechupe, ilustrada na Figura 2

Inicialmente, tem-se (a) o metal inteiramente no estado líquido; (b) a solidificação tem início na periferia, onde a temperatura é mais baixa e caminha em direção ao centro; (c) fim da solidificação e (d) contração sólida.

A diferença entre os volumes no estado líquido e no estado sólido final dá como conseqüência o vazio ou rechupe, indicados nas panes (c) e (d) da figura. A pane (d) dá a entender também que a contração sólida ocasiona uma diminuição geral das dimensões da peça solidificada.

Os vazios citados podem eventualmente ficar localizados na parte interna das peças, próximos da superfície; porém, invisíveis externamente. Além dessa conseqüência (vazio ou rechupe) a contração verificada na solidificação pode ocasionar :

- aparecimento de trincas a quente (Figura 3)

- aparecimento de tensões residuais.

 As tensões residuais podem ser controladas por um adequado projeto da peça, como se verá, e podem ser eliminadas pelo tratamento térmico de "alívio de tensões". Os vazios ou rechupes que constituem a conseqüência direta da contração podem também ser controlados ou eliminados, mediante recursos adequados, seja no caso de lingoteiras, seja no caso de moldes para peças fundidas (Figura 4). No caso da fundição de um lingote, o artifício adotado para controlar o vazio é colocar sobre o topo da lingoteira - que é feita de material metálico - uma peça postiça de material refratário, denominada "cabeça quente"ou "massalote"; essa peça, por ser de material refratário, retém o calor por um tempo mais longo e corresponderá à seção que solidifica por último; nela, portanto, vai se concentrar o vazio. Resulta assim um lingote são, pela eliminação de sua cabeça superior.

No caso de peças fundidas, utiliza-se um "alimentador". No exemplo apresentado na Figura 4, o molde foi projetado de tal maneira que a entrada do metal líquido, através de canais, é feita na seção mais grossa que alimenta as menos espessas; ao mesmo tempo, o "alimentador" ficará convenientemente suprido de excesso de metal líquido, nele se concentrando o vazio.

2.3 - Concentração de impurezas

Algumas ligas metálicas contêm impurezas normais, que se comportam de modo diferente, conforme a liga esteja no estado líquido ou sólido. O caso mais geral é o das ligas ferro-carbono que contêm, como impurezas normais, o fósforo, o enxofre, o manganês, o silício e o próprio carbono. Quando essas ligas estão no estado liquido, as impurezas estão totalmente dissolvidas no líquido, formando um todo homogêneo. Ao solidificar, entretanto, algumas das impurezas são menos solúveis no estado sólido.
A Figura 5 representa esquematicamente como a segregação (concentração de impurezas) pode se dispor em peças laminadas e forjadas. O inconveniente dessa segregação é que o material acaba apresentando composição química não uniforme, conforme a seção considerada, e conseqüentes propriedades mecânicas diferentes.
Esse inconveniente pode ser evitado pelo controle mais rigoroso da composição química das ligas e controle da própria velocidade de resfriamento.

2.4 - Desprendimento de gases

    Esse fenômeno ocorre, como no caso anterior, 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 CO2 que escapam facilmente à atmosfera, enquanto a liga estiver no estado liquido. À medida, entretanto, que a viscosidade da massa líquida diminui, devido à queda de temperatura, fica mais difícil a fuga desses gases, os quais acabam ficando retidos nas proximidades da superfície das peças ou lingotes, na forma de bolhas.

3 - 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:

• 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 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.

• 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.

• 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.

• Fusão - Etapa em que acontece a fusão do metal.

• Vazamento - O vazamento é o enchimento do molde com metal líquido.


• 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.

• 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.

• 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.

4 - Características e defeitos das peças fabricadas

A fundição parte diretamente do metal líquido para fabricar uma peça economizando uma série de etapas dentro do processo de fabricação. Vamos, então, ver mais algumas vantagens desse processo.

[1] Canais de alimentação são as vias, ou condutos, por onde o metal líquido passa para chegar ao molde.

    Massalote é uma espécie de reserva de metal que preenche os espaços que vão se formando à medida que a peça vai solidificando e se contraindo.

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[1] (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.

 Defeitos dos produtos fundidos 

Como em todo o processo, alguma coisa "sai errado" e aparecem os defeitos. Alguns defeitos comuns das peças fundidas são:

5 - Tipos de fundição

O molde é fundamental para a qualidade da peça fundida. A qualidade da peça fundida está diretamente ligada à qualidade do molde.  É usual classificar os processos de fundição quanto ao material ou quanto ao método pelo qual o molde é fabricado. Portanto, é possível classificar os processos de fundição em dois grupos: 

a) Fundição em moldes de areia;

 b) Fundição em moldes metálicos.

5.1 - Fundição em areia 

 A fundição em areia é a mais usada, não só na produção de peças de aço e ferro fundido, porque os moldes de areia são os que suportam melhor as altas temperaturas de fusão desses dois metais, mas também para a produção de peças de ligas de alumínio, latão, bronze e magnésio.

O processo em areia, particularmente a moldagem em areia verde é o mais simples e mais usado nas empresas do ramo. A preparação do molde, neste caso, consiste em compactar mecânica ou manualmente uma mistura refratária plástica chamada areia de fundição, sobre um modelo montado em uma caixa de moldar.


[1] Tolerância dimensional é a faixa dentro da qual uma medida qualquer pode variar. Por exemplo, o desenho especifica uma medida de 10 mm,com uma tolerância dimensional de ±1. Isso quer dizer que essa medida pode variar entre 9 e 11 mm.

 

Esse processo segue as seguintes etapas:

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.

• Essa caixa, chamada de caixa-fundo, é virada de modo que o modelo fique para cima.

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.

O canal de descida e o massalote são retirados e as caixas são separadas.

• Abre-se o copo de vazamento na caixa-tampa.

·         Abre-se o canal de distribuição e canal de entrada na caixa-fundo e retira-se o modelo.

·         Coloca-se a caixa de cima sobre a caixa de baixo. Para prender uma na outra, usam-se presilhas ou grampos.

Depois disso, o metal é vazado e após a solidificação e o resfriamento, a peça é desmoldada, com o canal e o massalote retirados. Obtém-se, assim, a peça fundida, que depois é limpa e rebarbada.

A seqüência da preparação do molde que descrevemos é manual. Nos casos de produção de grandes quantidades, usa-se o processo mecanizado com a ajuda de máquinas de moldar conhecidas como automáticas ou semi-automáticas que permitem a produção maciça de moldes em reduzido intervalo de tempo.

Para que um produto fundido tenha a qualidade esperada, os moldes devem apresentar as seguintes características essenciais:

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.
A fundição em moldes de areia verde não tem nada a ver com a cor verde. O processo tem esse nome somente porque a mistura com a qual o molde é feito mantém sua umidade original, quer dizer, não passa por um processo de secagem. A matéria-prima para esse tipo de moldagem é composta basicamente por um agregado granular refratário chamado de areia-base que pode ser sílica, cromita ou zirconita, mais argila (como aglomerante) e água.
Tanto metais ferrosos quanto não-ferrosos podem ser fundidos nesse tipo de molde. Os moldes são preparados, o metal é vazado por gravidade, e as peças são desmoldadas durante rápidos ciclos de produção. Após a utilização, praticamente toda a areia (98%) pode ser reutilizada. Esse processo de moldagem é facilmente mecanizável, sendo realizado por meio de máquinas automáticas.


Vantagens e Desvantagens


Vantagens:
1. A moldagem por areia verde é o mais barato dentre os outros métodos de produção de moldes.
2. Há menor distorção de formato do que nos métodos que usam areia seca, porque não há necessidade de aquecimento.
3. As caixas de moldagem estão prontas para a reutilização em um mínimo espaço de tempo.
4. Boa estabilidade dimensional.
5. Menor possibilidade de surgimento de trincas.

Desvantagens:
1. O controle da areia é mais crítico do que nos outros processos que também usam areia.
2. Maior erosão quando as peças fundidas são de maior tamanho.
3. O acabamento da superfície piora nas peças de maior peso.
4. A estabilidade dimensional é menor nas peças de maior tamanho.

    5.2 - Fundição de Precisão ( Cera perdida )

Como você já sabe, produzir peças por fundição é basicamente fazer um modelo, fazer um molde a partir desse modelo, e vazar (despejar) metal líquido dentro do molde
O que diferencia um processo do outro é tanto o modo como o metal líquido é vazado (pode ser por gravidade ou pressão) quanto o tipo de moldagem utilizado (em moldes de areia ou em moldes metálicos).
Por outro lado, a escolha do processo é determinada principalmente pelo tipo de produto final que você quer obter. Assim, se você quiser produzir um produto fundido com determinado peso máximo de 5 kg, formato complexo, melhor acabamento de superfície e tolerâncias mais estreitas em suas medidas, ou seja, um produto com características aliadas à qualidade do produto usinado, será necessário usar o processo de fundição de precisão.

Por esse processo, pode-se fundir ligas de alumínio, de níquel, de magnésio, de cobre, de cobre-berílio, de bronze-silício, latão ao silício, ligas resistentes ao calor, além do aço e do aço inoxidável para a produção de peças estruturais para a indústria aeronáutica, para motores de avião, equipamentos aeroespaciais, de processamento de dados, turbinas a gás, máquinas operatrizes, equipamentos médicos, odontológicos, ópticos etc.

Em qual aspecto a fundição de precisão se diferencia dos outros processos de fundição? Exatamente na confecção dos modelos e dos moldes. Enquanto nos processos por fundição em areia que estudamos na aula anterior o modelo é reaproveitado e o molde é destruído após a produção da peça, na fundição de precisão tanto o modelo quanto o molde são destruídos após a produção da peça.

Em primeiro lugar, devemos saber que os modelos para a confecção dos moldes são produzidos em cera a partir de uma matriz metálica formada por uma cavidade com o formato e dimensões da peça desejada. A cera, que não se assemelha àquela que usamos no assoalho da nossa casa, é um material que derrete com o calor. E é no estado líquido que ela é injetada dentro da matriz para formar os modelos.


O molde é produzido a partir de uma pasta ou lama refratária feita com sílica ou zirconita, na forma de areia muito fina, misturada com um aglomerante feito com água, silicato de sódio e / ou silicato de etila. Esta lama endurece em contato com o ar e é nela que o modelo de cera ou plástico é mergulhado. Quando a lama endurece em volta do modelo, forma-se um molde rígido. Após o endurecimento da pasta refratária, o molde é aquecido, o modelo derretido, e destruído. Essa casca endurecida é o molde propriamente dito e é nele que o metal líquido é vazado. Assim que a peça se solidifica, o molde é inutilizado. Por causa das características desse processo, ele também pode ser chamado de fundição por moldagem em cera perdida. Resumindo, a fundição por moldagem em cera perdida apresenta as seguintes etapas:

A cera fundida é injetada na matriz para a produção do modelo e dos canais de vazamento.

·         Os modelos de cera endurecida são montados no canal de alimentação ou vazamento.

·         O conjunto é mergulhado na lama refratária.

·         O material do molde endurece e os modelos são derretidos e escoam.

·         O molde aquecido é preenchido com metal líquido por gravidade, centrifugação ou a vácuo.

Depois que a peça se solidifica, o material do molde é quebrado para que as peças sejam retiradas.

As peças são rebarbadas e limpas.

Em muitos casos, as peças obtidas por esse processo chegam a dispensar a usinagem devido à qualidade do acabamento de superfície obtido. Mesmo quando a usinagem faz-se necessária, demanda acabamento mínimo e isso reduz os custos de produção.

Não se esqueça de que, apesar das desvantagens, o que comanda a escolha é, em última análise, o produto que se quer produzir. E, no caso da fundição de precisão, seu emprego é indicado para aplicações bem específicas que compensam os altos custos da produção.

 

    5.3 - Molde Permanente ou Coquilha

 

Manuais ou mecanizados, de precisão, não importa qual o processo de fundição que tenhamos estudado até agora, todos tinham em comum duas coisas: o fato de que o material básico para a confecção dos moldes era, na maioria dos casos, areia e que após a produção da peça o molde era destruído.
Acontece que, ao lado de todas as vantagens que a areia apresenta na confecção de moldes, existem sempre os problemas comuns à sua utilização para a fundição: quebras ou deformações dos moldes, inclusões de grãos de areia na peça fundida, problemas com os materiais aglomerantes e com as misturas de areia, e assim por diante. .
Dependendo do trabalho que se quer realizar, da quantidade de peças a serem fundidas e, principalmente, do tipo de liga metálica que será fundida, o fabricante tem que fundir suas peças em outro tipo de molde: os moldes permanentes, que dispensam o uso da areia e das misturas para sua confecção.
Os processos de fundição por molde permanente usam moldes metálicos para a produção das peças fundidas. Por esses processos realiza-se a fundição por gravidade ou por pressão.
Usar um molde permanente significa que não é necessário produzir um novo molde a cada peça que se vai fundir. A vida útil de um molde metálico permite a fundição de até 100 mil peças. Um número tão impressionante deveria possibilitar a extensão de seu uso a todos os processos de fundição. Só que não é bem assim.
A utilização dos moldes metálicos está restrita aos metais com temperatura de fusão mais baixas 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.
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.
Esses produtos, se comparados com peças fundidas em moldes de areia, apresentam maior uniformidade, melhor acabamento de superfície, tolerâncias dimensionais mais estreitas e melhores propriedades mecânicas.

 

Por outro lado, além de seu emprego estar limitado a peças de tamanho pequeno e produção em grandes quantidades, os moldes permanentes nem sempre se adaptam a todas as ligas metálicas e são mais usados para a fabricação de peças de formatos mais simples, porque uma peça de formas complicadas dificulta não só o projeto do molde, mas também a extração da peça após o processo de fundição.
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.
A montagem dos moldes também pode ser feita por meio de dispositivos mecânicos movidos por conjuntos hidráulicos, que comandam o ciclo de abertura e fechamento dos moldes.
Tanto os moldes quanto os machos são cobertos com uma pasta adesiva rala feita de material refratário cuja função, além de proteger os moldes, é impedir que as peças grudem neles, facilitando a desmoldagem.
A fundição com moldes metálicos também é feita sob pressão. Nesse caso, o molde chama-se matriz.

  5.4 - Fundição sob Pressão

Os moldes metálicos também são usados no processo de fundição sob pressão. Este consiste em forçar o metal líquido a penetrar na cavidade do molde, chamado de matriz.