Qual é o processo de fundição
- Definição do processo
Fundição é um processo de fabricação onde o material líquido é derramado em um molde que contém uma cavidade oca com o formato pretendido, solidificado e então a peça acabada é removida. O material solidificado, muitas vezes metálico, assume a forma da cavidade do molde. A fundição é mais comumente usada para peças de metal, despejando metal fundido em um molde e permitindo que ele esfrie e solidifique. Este processo permite a produção econômica de componentes metálicos complexos e de alto desempenho com precisão, versatilidade e propriedades de material que muitas vezes não podem ser alcançadas por outros métodos de fabricação. Como tal, a fundição é um processo extremamente importante na fabricação industrial.
- Princípios de Processo
Os princípios da fundição centram-se na necessidade de conter o material fundido quente dentro de um molde à medida que ele passa do estado líquido para o sólido. A primeira etapa é criar o molde com cavidade, machos e sistema de passagem a partir de materiais de alta resistência ao calor, geralmente areia de moldagem, metal ou epóxi. O molde é projetado para preencher rapidamente com metal e depois transferir calor para que o metal solidifique de líquido para sólido com a estrutura de grão adequada.
Em seguida, o metal escolhido é derretido em altas temperaturas em um forno para atingir o estado fundido. Os metais fundidos comuns são ferro, alumínio, aço e ligas de magnésio. O metal líquido é derramado ou injetado na cavidade do molde e deixado esfriar e solidificar na forma. O molde suporta altas forças e calor durante a solidificação à medida que o metal encolhe ligeiramente. Depois que o metal e o molde atingem a temperatura ambiente, a peça fundida final é separada do molde. Podem ser necessárias operações secundárias de acabamento para limpar e inspecionar a peça fundida.
- Equipamentos e Ferramentas
A fundição requer equipamentos e ferramentas especialmente projetados para manusear metal quente e suportar forças de moldagem:
- Os fornos aquecem metais até o ponto de fusão usando combustível, resistência elétrica ou indução. Um recipiente contém o metal fundido.
- As ferramentas de moldagem formam moldes de areia a partir de padrões reutilizáveis. Os padrões podem ser de madeira, metal ou plástico.
- Os frascos de molde contêm e formam a areia de moldagem em torno das metades do padrão.
- As ferramentas de núcleo produzem núcleos de areia que formam vazios internos no molde.
- As máquinas de fundição sob pressão injetam metal em moldes metálicos permanentes.
- A fundição de precisão usa padrões de cera incorporados em revestimentos de pasta cerâmica.
- Elementos de passagem/elevação alimentam metal fundido na cavidade do molde.
- Ferramentas de limpeza, como jateamento, esmerilhadeiras e cortadores, removem peças fundidas.
- As ferramentas de inspeção verificam as dimensões e a qualidade do molde/fundição.
- Campos de Aplicação
A fundição produz componentes em praticamente todos os setores de fabricação devido à sua versatilidade, eficiência e capacidade de criar formas complexas. Algumas das principais áreas de aplicação incluem:
- Automotivo: Blocos de motor, cabeçotes de cilindro, rodas e caixas de transmissão exemplificam peças automotivas fundidas de alto volume.
- Aeroespacial: Lâminas de turbina fundidas, caixas de câmbio, componentes de motores a jato e acessórios de fuselagem.
- Defesa: Os principais equipamentos militares, como artilharia, armaduras, cartuchos de munição, etc., dependem de fundição.
- Infraestrutura: Tampas fundidas de bueiros, tubulações, válvulas, bombas e estoque ferroviário.
- Agricultura: Moldes de componentes de tratores, como carcaças e polias.
- Bens de consumo: joias fundidas, instrumentos musicais, ferragens para móveis.
- Médico: coroas dentárias, implantes ortopédicos e instrumentos cirúrgicos.
A fundição permite que componentes em praticamente qualquer indústria sejam produzidos de acordo com requisitos de engenharia precisos a partir de uma ampla variedade de materiais metálicos.
- Vantagens e Limitações
- Vantagens:
- Peças complexas em formato de rede são feitas facilmente. Nenhuma usinagem é necessária.
- Capacidades de produção em massa para grandes volumes a custos mais baixos.
- Muitas ligas são difíceis de fabricar, caso contrário podem ser fundidas.
- Controle de microestrutura mais fino do que metal forjado.
- Peças complexas e de alta precisão fundidas integralmente.
- Consolida peças/recursos em um componente.
- Limitações:
- Altos custos iniciais para ferramentas e equipamentos.
- Restrições de projeto para permitir a remoção do molde.
- Os limites de tamanho são baseados na capacidade do equipamento.
- Muitas vezes menor resistência do que o metal forjado.
- Limpeza e inspeções pós-processo necessárias.
- Defeitos comuns como porosidade e inclusões.
- Parâmetros do processo
Numerosos parâmetros interdependentes influenciam a qualidade, a produtividade e a economia da fundição. Estes abrangem:
- Material e design do molde – afeta o fluxo do metal, a transferência de calor e o acabamento superficial.
- Composição da liga – determina propriedades, ponto de fusão e fluidez.
- Tratamento de fusão – desgaseificadores reduzem defeitos de gás; os inoculantes refinam os grãos.
- Temperatura de vazamento – temperaturas mais altas melhoram a fluidez, mas aumentam o encolhimento. É necessário superaquecimento adequado.
- Temperatura do molde – o pré-aquecimento dos moldes reduz o choque térmico e os defeitos.
- Tempo e velocidade de enchimento – o enchimento mais rápido melhora os moldes.
- Taxa de resfriamento – o resfriamento mais rápido produz grãos mais finos, mas corre o risco de rasgos quentes e empenamentos.
- Projeto de canal – deve promover o preenchimento total do molde, evitando turbulência.
- Os risers de coping ascendente alimentam metal líquido às peças fundidas à medida que encolhem para evitar vazios.
Testes significativos são usados para modelar, prever e ajustar esses parâmetros para obter a qualidade ideal.
- Controle de qualidade
Os produtos fundidos envolvem muitos defeitos potenciais, necessitando de um rigoroso controle de qualidade:
- Inspeção visual de dimensões, acabamento superficial e falhas óbvias.
- O teste de corante penetrante revela rachaduras superficiais.
- As varreduras de raios X e tomografia computadorizada detectam vazios internos e problemas de porosidade.
- O teste ultrassônico indica defeitos subterrâneos por meio de ondas sonoras.
- Os testes mecânicos fornecem propriedades de dureza, tração e impacto.
- A metalografia mostra microestrutura, tamanho de grão e fases.
- A análise química verifica a composição adequada da liga.
- Os testes de vazamento e pressão garantem que as peças fundidas estejam sólidas.
O controle estatístico do processo rastreia as principais métricas do processo. As peças fundidas são testadas destrutivamente para correlacionar peças testadas de forma não destrutiva com a qualidade geral.
- Desenvolvimento e Tendências
A fundição é um dos processos de metalurgia mais antigos conhecidos, originado há mais de 6000 anos. A fundição de bronze e ferro avançou a civilização ao longo da história antiga até a Idade Média em ferramentas, armas e estátuas. Os processos de fundição modernos foram inovadores durante os anos 1800-1900, permitindo a produção em massa.
As tendências recentes concentram-se em:
- O desenvolvimento de liga leve e de alta resistência permite que peças fundidas substituam peças usinadas. Aeroespacial, automóveis e implantes impulsionam essa pesquisa.
- O fluxo sofisticado do molde e a simulação de análise térmica prevêem com precisão os resultados de fundição.
- Controle de qualidade mais rígido sobre problemas de integridade da peça fundida, como porosidade. Padrões como ASTM E505 foram desenvolvidos.
- Aumento do uso de linhas de moldagem automatizadas e robôs para produção mais rápida, barata e consistente.
- Processos de lingotamento contínuo para maior produção em usinas de aço, cobre e alumínio.
- Técnicas de microfusão foram adotadas para peças pequenas e detalhadas, como pás de turbinas. Prototipagem rápida aplicada à fundição.
- Processamento secundário como tratamento térmico, HIPing e usinagem foram adotados para melhorar a precisão e as propriedades.
- Estudos de Caso
- Montadoras como Ford e GM usam blocos de motor em liga de alumínio fundido porque as peças fundidas oferecem geometrias complexas de camisa de água e recursos fundidos integralmente difíceis de usinar. Outros componentes do motor, como cabeçotes, pistões e compressores, também se beneficiam da fundição estratégica.
- As ligas fundidas de cobalto-cromo permitem a produção econômica de implantes de substituição de articulações com qualidades biocompatíveis, alta resistência e geometrias de articulação diretamente moldadas. Esses componentes fundidos do implante integram-se muito melhor ao osso humano do que as alternativas fabricadas.
- As peças fundidas de aço formam enormes estruturas de turbinas eólicas, caixas de engrenagens, geradores, nacelas e outras estruturas onde as peças fundidas fornecem rigidez necessária, amortecimento de vibrações e propriedades de resistência à carga incomparáveis pelas fabricações.
- A fundição de precisão produz pás de turbina de superliga de níquel fundido para motores a jato com grãos equiaxiais e pás de cristal único com alta resistência à fluência. Este processo de fundição atinge os formatos complexos de aerofólio e os esquemas de resfriamento necessários.
- Conclusão
A fundição oferece imensa flexibilidade de material, liberdade de projeto, precisão e oportunidades de economia de custos em relação a outros métodos de fabricação de peças metálicas. Como um processo de formato líquido com pouca necessidade de usinagem, a fundição permite altas taxas de produção e características integrais que não seriam viáveis por outros meios. Com grande parte do mundo da engenharia moderna dependendo de componentes metálicos fundidos, a fundição continuará sendo um processo industrial essencial, juntamente com avanços em materiais, qualidade e automação.