Nesta unidade temática, você vai aprender

• Como é feita a fabricação de peças com moldes permanentes;

• A conhecer defeitos de fundição;

• A conhecer parâmetros de projeto de peça fundida.

Processos de fundição por moldes permanentes

Os moldes permanentes possuem uma característica diferente dos moldes que estudamos até aqui, que eram produzidos com materiais refratários, pois eles são construídos utilizando metais. Um molde metálico tem um acabamento superficial de alta qualidade e pode ser reutilizado milhares e até milhões de vezes.

Mas nem tudo são vantagens, pois como o molde é de aço, só podemos fundir materiais de menor ponto de fusão que ele. Outro item a ser considerado é a geometria da peça, que deve ter ângulos de saída para ser retirada no molde após ser fundida, lembrando que nos moldes que são destruídos após a fundição não temos esses problemas. 

Câmara fria e câmara quente

Segundo Kiminami (2016), nesse processo o molde é fabricado de aço-ferramenta, sendo refrigerado à água e formado por partes que permitem o fechamento e abertura de modo automatizado. Pode ser usado macho de areia ou de metal (com mecanismo retrátil) para a confecção de partes ocas nas peças. O metal fundido é vazado sob pressão, que tipicamente fica na faixa de 7 a 140 MPa. A pressão é mantida durante a solidificação e após a solidificação o molde é aberto e o fundido ejetado.

Na Figura 1, podemos ver os dois tipos mais utilizados de fundição em moldes permanentes, a câmara fria e a câmara quente.

Na fundição sob pressão em câmara fria, o metal é fundido em forno independente da máquina de injeção para onde é, então, transportado em quantidade certa para o cilindro de injeção. As pressões típicas estão na faixa de 14 a 140 MPa. Na fundição sob pressão em câmara quente, a câmara do pistão é parcialmente submersa no metal líquido; o ciclo é, portanto, rápido (cerca de 15 ciclos por minuto) uma vez que o metal líquido é injetado da mesma câmara em que é fundido, não havendo necessidade de sua manipulação ou transferência, como no caso da câmara fria. A pressão típica é inferior à da câmara fria, na faixa de 7 a 35 MPa. O processo de câmara a quente é limitado a ligas de baixa temperatura de fusão (ligas de zinco, estanho, chumbo e algumas vezes de magnésio), as ligas de alumínio, por atacar o ferro, não podem ser processadas. Já no processo de câmara fria, são fundidas peças em ligas de alumínio, de magnésio e latão (KIMINAMI, 2016). 

Fundição por Centrifugação

O processo de fundição por centrifugação (KIMINAMI, 2013) tem a característica do metal fundido ser vazado enquanto o molde está em movimento rotacional. O molde, que pode ser de areia verde, areia seca, grafite, aço ou cobre, é colocado em movimento de rotação de modo que a força centrífuga origina uma pressão além da gravidade, que força o metal líquido de encontro às paredes do molde onde se solidifica. A Figura 2 apresenta ilustrações da fundição por centrifugação horizontal e vertical, em que os moldes são rotacionados em torno do eixo horizontal e vertical, respectivamente.

As restrições do processo são a geometria da peça, que é limitada, e o alto custo do equipamento. Uma particularidade desse processo é a heterogeneidade microestrutural que, muitas vezes, é observada ao longo da espessura da parede da peça. Essa heterogeneidade é causada pela centrifugação das primeiras fases sólidas formadas em direção à parede do molde quando o metal está no estado semissólido. Se, por um lado, essa característica de heterogeneidade microestrutural é negativa pela diferença de propriedades ao longo da espessura da peça, por outro, desde que controladas a natureza da fase segregada e a intensidade dessa segregação, a peça pode ter características de uma peça com gradiente funcional de propriedades. 

Fundição em Matriz Permanente por Gravidade

O processo de fundição em matriz por gravidade, como o próprio nome indica, usa molde permanente que é preenchido pelo metal fundido usando somente a força da gravidade (diferente de outros processos que usam a força de injeção ou centrífuga para auxiliar no preenchimento do molde). Nesse processo, o molde permanente é confeccionado geralmente de ferro fundido, aço, bronze ou grafite, dependendo da liga a ser fundida, quantidade de peças a serem produzidas e principalmente da sua geometria. O molde permanente é formado por duas ou mais partes necessárias para conter os canais de vazamento e massalote, caso necessário, e principalmente para garantir a extração da peça após a solidificação; o molde deve garantir que o procedimento de retirada da peça seja realizado o mais rapidamente possível e de modo simples para otimizar o tempo de produção em série. No caso de uso de machos, eles podem ser de metal ou de areia endurecida por aglomerantes.

A Figura 3 mostra de modo simplificado, o processo de fundição em matriz por gravidade:

A temperatura do molde é mantida relativamente alta durante o processo de produção, sendo o calor da fundição anterior suficiente para manter o molde à temperatura adequada para a realização do vazamento seguinte. A temperatura do molde é mantida elevada para minimizar a sua fadiga térmica, facilitar o fluxo do metal líquido e controlar a taxa de resfriamento do metal. 

Respiradouros no molde são importantes para evitar porosidade na peça considerando a inexistência de permeabilidade para a saída dos gases. Considerando que somente a força da gravidade atua no metal durante o vazamento, um projeto adequado do sistema de alimentação, assim como a especificação e bom controle da temperatura do molde são necessários. Massalotes são usados para compensar a contração, que tipicamente equivalem a cerca de 40% da massa do fundido, levando, assim, a um rendimento típico em torno de 60% da liga fundida que é convertida em peça, segundo Kiminami (2013). 

As principais ligas usadas nesse processo são de alumínio, de magnésio, de cobre, ferro fundido e aços (em moldes de grafite ou material refratário) e ligas de chumbo, estanho e zinco. As peças, em geral, são menores que 5 kg, mas podem variar de 100 g a 300 kg Esse processo tem sua aplicação, por exemplo, em pistões, engrenagens e cabeçotes de cilindros de motores (KIMINAMI, 2013). 

Processos variados de fundição

Conformação por spray

O processo de conformação por spray (CS), também denominado de fundição por spray ou deposição por spray, está apresentado esquematicamente na Figura 4. O processo acontece com a atomização de um fluxo de metal líquido por meio da injeção de um gás inerte à alta pressão, que passa pelo bocal atomizador e as gotas de metal atomizado são depositadas sobre um substrato.

O bocal de atomização é composto por vários furos concêntricos cujo direcionamento dos jatos do gás atomizador coincide com o centro do tubo pelo qual o metal líquido flui. Quando o fluxo de metal líquido entra em contato com o gás inerte que está em alta velocidade, ocorre a formação de um cone de spray formado por uma variada gama de tamanhos de gotas (na faixa de alguns micrometros até 150 micrômetros de diâmetro), as quais são impulsionadas para baixo da região de atomização em alta velocidade. As gotas de metal líquido em pleno voo podem, ainda, ser dissociadas em gotas de tamanhos menores até alcançar um tamanho mínimo de equilíbrio. As gotas líquidas são submetidas, durante essa etapa, a uma alta taxa de resfriamento. Dessa forma, passam a coexistir no spray gotas líquidas, parcialmente solidificadas e completamente sólidas, o que gera um spray de gotas com dimensões micrométricas, as quais são impelidas velozmente, em forma de cone, para baixo da região de atomização. Um substrato metálico ou cerâmico é posicionado abaixo da trajetória do spray interrompendo-a, coletando as gotas metálicas sólidas, parcialmente solidificadas e líquidas, gerando um depósito denominado também de "pré-forma" coerente e quase totalmente densa, de acordo com uma distribuição gaussiana das partículas.

Pelo movimento contínuo do substrato em relação ao cone de spray enquanto a atomização prossegue, o depósito pode tomar diversas formas, como ilustrado esquematicamente na Figura 4, como tarugos (para serem reprocessados), tubos ou chapas dependendo da movimentação imposta ao substrato.

Ligas depositadas através de spray usualmente exibem fases com solubilidade sólida estendida ou fases metaestáveis, incluindo a amorfa, e microestrutura refinada devido à alta taxa de resfriamento imposta (102-105 K/s), taxas essas atingidas pelas partículas em voo. Isso possibilita processar peças de até 1 tonelada e com uma alta velocidade de produção (0,1 a 2,5 kg/s), além de ser um processo único na fundição que alia os benefícios de uma solidificação rápida (microestrutura refinada, minimização de macro e microssegregações) em peças de grande volume.

O processo é aplicado, por exemplo, para fabricação de camisa do pistão em ligas Al-Si e tubos de aços inoxidáveis, além de fabricação de matéria-prima para outros processos como, por exemplo, com ligas de cobre, que têm grandes problemas de segregações, e ligas de alta resistência, como Cu-Mn-Ni. 

Tixofundição

O processo de tixofundição é uma variante da fundição sob pressão onde o metal é conformado no estado semissólido, matéria-prima com microestrutura bastante particular é obtida pelo aquecimento da liga de composição hipoeutética até sua temperatura de fusão. Depois, resfriá-la até uma temperatura dentro da "zona pastosa" contendo duas fases, líquida e sólida, e impingir a essa massa uma agitação para quebrar os braços dendríticos da fase sólida tornando-a globular (Figura 5a). Após a solidificação, obtêm-se a matéria-prima que é a liga com estrutura de fase primária em forma equiaxial homogeneamente distribuída dentro de uma estrutura eutética (Figura 5b). Essa microestrutura confere à liga um comportamento quando parcialmente refundida de um fluido tixotrópico (a viscosidade decresce com a imposição de tensões de cisalhamento). Assim, o processo de tixofundição usa essa matéria-prima para, depois de reaquecida até sua fusão parcial, injetá-la em matriz num processo de fundição por pressão (Figura 5d).

Nesse processo, a liga, embora no estado semissólido, com a tensão cisalhante do processo de injeção, tem uma baixa viscosidade que permite um ótimo preenchimento da cavidade do molde sem turbulência. Considerando ainda que se alcança maior grau de homogeneidade devido à inexistência de macrossegregação e a contração é menor por partir do estado semissólido, tem-se uma peça tixofundida com melhor sanidade do que uma peça fundida convencionalmente. De maneira geral, as propriedades mecânicas dos materiais reofundidos são melhores do que os materiais fundidos convencionalmente.

A Figura 5 ilustra a sequência do processo de reofundição continua.

O processo é aplicado em ligas de alumínio para a indústria automobilística, produzindo peças de poucos gramas até 9 kg, como cilindro mestre de freio e carcaça de ar condicionado além de peças estruturais como componentes do sistema de suspensão e do motor. 

Fundição em Molde Cheio

A fundição em molde cheio, também denominada de fundição de espuma perdida ou fundição de modelo evaporativo, é um processo que usa molde de areia sem ligante (sem aglomeramento). A Figura 6 ilustra as etapas do processo.

Nesse processo, para cada peça necessita-se de um modelo, sendo o molde de areia não aglomerado. O modelo é feito de material evaporável como, por exemplo, poliestireno expandido e geralmente feito por partes que são coladas para formar a peça completa, ou ainda de maneira similar ao caso de fundição de precisão, modelos de várias peças podem ser montados, formando um conjunto que produz várias peças numa só operação. Ao modelo são colados os canais de alimentação e massalotes (Figura 6a) e, em seguida, o conjunto recebe um banho de uma suspensão aquosa que, depois de seca, cria uma camada superficial em todo o modelo. Essa camada evita que nos primeiros instantes após o vazamento a areia do molde, que não é aglomerada, se misture ao metal fundido, além de proporcionar melhor acabamento superficial na peça. Em seguida, o modelo é colocado dentro de um recipiente (Figura 6b) que é completado com areia seca e livre de qualquer tipo de aglomerante. O conjunto é vibrado para compactar a areia (Figura 6c) e, então, o metal fundido é vazado. Com o contato do metal fundido (Figura 6d), o modelo vaporiza, enquanto o metal ocupa o seu lugar, substituindo o poliestireno em todo o volume do modelo. A velocidade de enchimento (velocidade do fluxo do metal) depende da velocidade da degradação do modelo. Com a solidificação do metal (Figura 6e), o recipiente é simplesmente tombado e a areia, que não é aglomerada, cai, (Figura 6f) deixando então o fundido pronto para as operações de retirada dos canais de vazamento e massalotes e de acabamento (Figura 6g).

Defeitos e Projeto

Para projetar uma peça fundida, o projetista deve levar em conta vários aspectos, como:

A soma desses itens considerados fará com que o projetista chegue ao melhor custo-benefício em sua peça. 

Dado que o processo de projeto de uma peça fundida permite ao projetista prover de metal os lugares onde ele é necessário e nas quantidades apropriadas para as exigências do serviço, as regras que governam o projeto de fundição de peças devem ser claramente entendidas. Elas são fixadas em leis bem conhecidas da Termodinâmica que se aplicam à transição do estado líquido ao sólido, podendo ser citadas com autoridade completa. 

Deve ser dada ênfase ao fato de que uma peça fundida deve ser projetada com conhecimento das leis e regras básicas envolvidas. Qualidade, confiabilidade em uso, resistência e durabilidade das peças fundidas sendo desenvolvidas no projeto e não durante a fundição, na prática. Isso seria o ideal e é a regra básica a ser seguida. 

Projeta-se peça fundida como peça fundida e desvios das regras apenas quando puder ser provada experimentalmente. No cotidiano e no popular chão de fábrica, às vezes precisamos fazer uso do método de tentativa e erro para alcançar nossos objetivos, o que é um método válido em alguns casos mais simples. Quando o projeto é para pequena produção, apenas poucas experiências podem ser feitas para ajustar os canais e massalotes, verificar dimensões, aperfeiçoar o projeto e determinar ou minimizar tolerâncias. Se a produção é para ser grande, uma boa quantidade desse tipo de trabalho pode ser feito e variações das regras podem ser feitas ou determinadas com segurança.

Um grande número de defeitos em fundição são causados pela contração do metal, que vai desde o líquido vazado até a peça final. Segundo Kiminami (2016), a contração mais significante, da ordem de até 6,3% em ligas de alumínio e de 2,2% em aços, ocorre na transformação do estado líquido para sólido. As dimensões da cavidade do molde devem prever essas contrações e, portanto, ter dimensões maiores do que a da peça a ser produzida. Principalmente como consequência da contração de solidificação, partes volumosas das peças, as últimas a serem solidificadas, tendem a apresentar vazios. Esses vazios são originados nessas partes porque o metal líquido tende a fluir para as regiões que já se solidificaram e sofreram contração, que correspondem às regiões menos volumosas. No final do processo de solidificação, quando essas partes volumosas se solidificam, estando já todas as outras partes solidificadas, não há nenhuma fonte de suprimento de metal líquido para a compensação da contração, originando, assim, os vazios. Para resolver esse problema são usados massalotes, cavidades adicionais incorporadas ao molde e que funcionam como reservatórios de metal líquido para suprir de metal as regiões da peça que se contraem durante a solidificação, especialmente as mais volumosas. A Figura 7 ilustra esquematicamente um vazio de contração na parte volumosa da peça e a eliminação desse defeito pelo uso de dois massalotes. Veja que, no exemplo ilustrado, o uso de um só massalote localizado na parte mais volumosa do lado esquerdo da peça não eliminou o vazio gerado por contração na parte mais volumosa do outro lado da peça, pois o metal do único massalote não chegou a essa parte porque se solidificou no caminho. Para solucionar problemas desta natureza, é necessário um massalote por parte. Na realidade, cada parte da peça deve ter sua contração estudada e ter um massalote para suprir o metal líquido para preencher o espaço. 

Em cada tipo de fundição há peculiaridades específicas a serem consideradas que causam defeitos. Por exemplo, a pressão que o metal faz nas paredes do molde para preencher o mesmo na fundição por gravidade é proporcional à altura da coluna de metal e da densidade desse metal. Em caso de falta de preenchimento, podemos aumentar essa coluna para aumentar a pressão.

Outro problema comum na fundição em moldes de areia verde é a inclusão de areia ou escória na peça. Isso se soluciona com armadilhas para esses materiais, isto é, caminhos e reservatórios para que eles não se alojem no interior da peça, mas fiquem contidos nos canais de alimentação e poços de rechupe, por exemplo. 

Os defeitos das peças fundidas podem ser detectados pelo método dos ensaios não destrutivos ENDs. Caso os defeitos sejam na parte externa da peça, podem ser utilizados os ensaios de líquidos penetrantes e partículas magnéticas, por exemplo. Em defeitos internos, são necessários outros métodos com ultrassom, raios x e raios gama, por exemplo, o que pode ser feito individualmente em todas as peças ou por amostragem, ou nem serem feitos, dependendo do perigo que a quebra da peça causa em quem a utiliza. Veja as figuras 8 e 9. 

Defeitos na fundição

O olho humano pode ter suas limitações, que são supridas por máquinas de ensaios não destrutivos na busca de defeitos internos da peça fundida, porém é muito útil em defeitos superficiais.

Vejamos agora alguns tipos de defeitos superficiais visíveis:

Exemplo de projeto

Veja um exemplo de projeto de peça fundida em ( KIMINAMI 2016, página 57 item 2.10 ESTUDO DE CASO - EIXO DE COMANDO DE VÁLVULAS):

A Figura 10 mostra um fluxograma simplificado das operações básicas para a produção de uma peça fundida, resultado do projeto da mesma, e a Figura 11 mostra um fluxograma específico para a produção de um eixo de comando de válvulas.

A Figura 12 mostra a cavidade do molde de areia para produção simultânea de dois eixos de comando de válvulas.

Após a fabricação do protótipo, são necessários ensaios destrutivos e não destrutivos para avaliar a peça em todas as suas características. 

Finalmente, a peça deve ser colocada para funcionar em condições reais e seu desempenho avaliado para que sua produção comercial seja validada com garantia de funcionamento perfeito.