Guia Completo de Fundição de Metais: Técnicas, Materiais e Aplicações

A fundição de metais, um processo de metalurgia envolvendo metal líquido e um molde, existe há milhares de anos.

Ao longo de sua história, a fundição de metais foi usada para fabricar tudo, desde espadas a turbinas eólicas, e hoje é um dos métodos mais valiosos e versáteis para fabricar peças metálicas de alta qualidade.

Este guia analisa os fundamentos da fundição de metal, incluindo suas muitas variantes — fundição sob pressão (die casting), microfusão (investment casting), etc. — e os metais de fundição mais comuns.

O que é Fundição de Metais?

A fundição de metais é um processo de manufatura/fabricação que envolve verter metal líquido fundido em um molde.

O interior do molde é projetado com uma impressão negativa da peça sendo fabricada, então quando o metal fundido esfria e solidifica dentro do molde, assume a forma da peça final. A peça finalizada pode então ser removida do molde.

Dependendo das peças sendo fabricadas e dos metais sendo usados, existem diferentes variedades de fundição de metal, cada uma com suas próprias vantagens particulares. Padrões, moldes e técnicas de enchimento podem variar muito entre estas variedades.

Embora a fundição de metal seja um processo versátil, peças fundidas estão sujeitas a certas restrições de design, e engenheiros devem contabilizar a contração do metal durante a etapa de resfriamento.

O Processo de Fundição de Metais Explicado

O processo central de fundição de metais envolve aquecer um metal, vertê-lo em um molde, esperar que esfrie e solidifique, então remover a peça finalizada do molde. Na realidade, pode haver muitas mais etapas no processo, e diferentes processos de fundição de metal funcionam de maneiras diferentes.

O seguinte é uma visão geral simplificada do processo de fundição de metais. Note que algumas etapas variam para diferentes variantes de fundição, enquanto outras são omitidas completamente.

1. Fabricação do modelo (pattern): Começando do início, muitos processos de fundição de metal requerem a fabricação de um modelo, uma duplicata da peça final usada para fazer o molde. Modelos podem ser permanentes ou expendables (descartáveis), e podem ser feitos de materiais como cera, madeira e plástico.
2. Fabricação do núcleo (core): Para fundição de peças ocas, pode ser necessário projetar um núcleo, uma peça sólida de material colocada dentro da cavidade do molde que molda a geometria interna de uma peça fundida. (Por exemplo, um núcleo cilíndrico dentro de um molde cilíndrico maior produzirá uma peça fundida em forma de tubo.)
3. Fabricação do molde: Moldes são feitos de maneiras diferentes dependendo do processo. Por exemplo, moldes metálicos permanentes podem ser feitos usando uma máquina CNC, enquanto moldes de areia são feitos aplicando uma mistura de areia ao exterior de um modelo. A prática de fabricar moldes é conhecida como moldagem (moldmaking) e é uma disciplina especializada.
4. Enchimento do molde: O metal é aquecido até derreter, então vertido ou forçado no molde. Na fundição por gravidade, por exemplo, o material fundido é vertido para baixo na cavidade; na fundição sob pressão de alta pressão, é forçado na cavidade em alta pressão, com altas forças de fechamento requeridas para manter o molde seguro.
5. Remoção da peça: Uma vez que a peça fundida está resfriada e solidificada, é removida do molde. Para processos como fundição em areia, isso significa que o molde deve ser destruído para chegar à peça dentro; para moldes permanentes, as duas metades do molde metálico são separadas e prontas para uso novamente.
6. Pós-processamento: Peças fundidas de metal podem requerer limpeza — para remover remanescentes do molde, por exemplo — ou outras etapas de pós-processamento antes de estarem prontas para uso.

Vantagens da Fundição de Metais

Existem numerosas razões para escolher fundição de metais sobre outras opções de metalurgia como forjamento ou usinagem CNC. Alguns dos principais benefícios da fundição de metais incluem:

• Adequada para produção em massa
• Pode produzir peças enormes e pesadas
• Pode produzir peças de parede muito grossa
• Adequada para peças grandes de peça única (em vez de componentes montados)
• Excelentes qualidades de mancais
• Ideal para algumas ligas leves
• Versatilidade de material

Limitações da fundição de metais incluem defeitos inevitáveis, precisão dimensional limitada (comparada a ex: usinagem CNC), intensiva em mão de obra, e tipicamente quantidades mínimas de pedido altas.

Os Principais Tipos de Fundição de Metais

Fundição sob Pressão (Die Casting)

Um dos tipos mais importantes de fundição de metais para peças intrincadas e detalhadas, a fundição sob pressão usa dois moldes de aço para ferramentas reutilizáveis como ferramentaria. O processo é similar à moldagem por injeção de plástico: o material fundido é forçado na cavidade em alta pressão, o que permite que engenheiros fabriquem peças com detalhes finos.

O custo de criar moldes personalizados é alto, o que torna o processo mais comum em produção em massa. Uma vez fabricados, porém, estes moldes podem ser usados muitas vezes. Fundições sob pressão tendem a ter excelente acabamento superficial.

Fundição sob pressão de alumínio e fundição sob pressão de magnésio são amplamente empregadas para peças de alta qualidade.

Fundição por Gravidade (Gravity Casting)

Como a fundição sob pressão, a fundição por gravidade é uma maneira de fundir metal usando um molde metálico reutilizável. No entanto, a fundição por gravidade baseia-se em forças gravitacionais para mover metal líquido através do molde, de cima para baixo, em vez de pressão. Moldes devem ser pré-aquecidos antes da primeira fundição e são frequentemente feitos de ferro fundido devido à sua baixa fadiga térmica.

A fundição por gravidade precede todas as outras técnicas de fundição de metais, com peças fundidas por gravidade existindo há milênios. É uma forma de fundição em molde permanente; alternativas ao processo de fundição por gravidade incluem pressão de gás e vácuo.

Microfusão / Fundição a Cera Perdida (Investment Casting / Lost Wax Casting)

A microfusão ou fundição a cera perdida é uma maneira de fundir metal usando um modelo e molde expendables: ambos itens são destruídos durante o processo de fundição (embora a cera derretida possa frequentemente ser reutilizada).

Como a fundição por gravidade, a microfusão tem milhares de anos. Durante o processo de fundição a cera perdida, um modelo é feito de cera ou material equivalente — às vezes à mão, às vezes usando uma impressora 3D de resina — antes que um material refratário seja vertido ao redor do modelo para fazer o molde.

O investimento é a camada cerâmica aplicada ao redor do modelo que então funciona como molde para o metal fundido. Esta camada cerâmica é removida em um processo chamado desinvestimento (divesting).

Fundição em Areia (Sand Casting)

A fundição em areia é um método simples, centenário, de fundição de metal e é mais acessível que técnicas alternativas. Usa areia (misturada com material aglutinante como argila) como material de molde, e os moldes são capazes de suportar alto calor.

No processo de fundição em areia, um modelo é imerso em areia contida dentro de uma caixa especial chamada flasco (flask). Compactando a areia ao redor do modelo, um molde pode ser feito no qual metal fundido pode ser vertido.

A areia usada no processo de fundição de metal pode ser areia verde (argila úmida) ou areia air set (areia seca com adesivo).

Outros Processos de Fundição

Existem dezenas mais de processos de fundição de metal usados na manufatura, incluindo moldagem em lama (loam molding) e moldagem em casca (shell molding) — ambos processos de molde expendable — e processos de molde permanente como fundição centrífuga e fundição contínua.

Pressão de Fundição: Alta ou Baixa?

A fundição sob pressão de metal é um valioso processo de metalurgia, e pode ser dividida em duas categorias adicionais: fundição sob pressão de alta pressão e fundição sob pressão de baixa pressão. Escolher a pressão certa depende de fatores como material, espessura de parede e tamanho da peça.

A fundição sob pressão de alta pressão é uma técnica mais comum que fundição sob pressão de baixa pressão, e é usada mais que o dobro de vezes.

Ideal para ligas macias como alumínio e zinco, a fundição sob pressão de alta pressão envolve forçar o metal líquido no molde em alta pressão e alta velocidade, requerendo uma prensa potente para manter o molde fechado. O processo é, portanto, mais caro que fundição sob pressão de baixa pressão.

Vantagens da fundição sob pressão de alta pressão:

• Produção rápida
• Paredes finas possíveis
• Acabamento superficial liso
• Contração mínima

A fundição sob pressão de baixa pressão é uma forma mais lenta de fundição sob pressão que força metal fundido no molde mais suavemente. É adequada para ligas com pontos de fusão baixos. Embora mais lenta que fundição sob pressão de alta pressão, o processo de fundição de metal em baixa pressão é adequado para geometrias complexas e pode produzir peças muito fortes.

Vantagens da fundição sob pressão de baixa pressão:

• Peças fortes
• Geometrias complexas

Metais Fundíveis

Uma variedade de metais são adequados ao processo de fundição. No entanto, os três materiais de fundição mais comuns aceitos pela 3ERP são alumínio, zinco e magnésio.

Fundição de Alumínio

Fundir alumínio é o meio mais difundido de conformar alumínio. É usado para fabricar itens como peças industriais e automotivas como transmissões e motores de ligas como A380 e A383.

Existem algumas maneiras de realizar fundição de alumínio. Fundição sob pressão de alumínio é excelente para produção de alto volume devido à sua velocidade e excelente acabamento superficial; fundição em molde permanente é adequada para peças de alumínio de resistência extra; e fundição em areia é apropriada para fundição de alumínio de pequenas quantidades e geometrias intrincadas.

Independentemente do processo de fundição, fundir alumínio faz peças fortes e leves e é, portanto, altamente versátil.

Fundição de Zinco

Ligas de zinco são populares, acessíveis e amplamente disponíveis metais adequados para fundição. Fundição de zinco tipicamente envolve fundição sob pressão de alta pressão, permitindo altas taxas de produção e requisitos mínimos de pós-processamento.

Devido à alta fluidez de fundição do zinco, a fundição de zinco pode resultar em peças com paredes muito finas e detalhes finos. Zinco também pode ser conformado a frio para melhor união.

Fabricantes podem escolher entre ligas de zinco ZAMAK ou ligas zinco-alumínio (ZA). Peças fundidas de zinco incluem componentes automotivos, peças de ar condicionado e componentes eletrônicos.

Fundição de Magnésio

Fundição — em particular fundição sob pressão de alta pressão — é de longe o processo de metalurgia mais comum para fabricar peças de magnésio, respondendo por cerca de 98% da produção de peças de magnésio.

Como o magnésio é o mais leve de todos os metais estruturais, é ideal para aplicações de leveamento (lightweighting). Outras vantagens da fundição de magnésio incluem paredes muito finas, excelente detalhe, e boa relação rigidez-peso.

Em pequenas quantidades, peças de magnésio também podem ser feitas usando fundição em gesso, embora fundição sob pressão de magnésio seja melhor para aplicações profissionais.

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