Materiais para Fundição sob Pressão (Die Casting): Escolhendo o Metal Certo para Sua Produção

A fundição sob pressão (die casting) é um processo de manufatura de metal altamente preciso e eficiente para bens industriais, comerciais e de consumo. Com ferramentaria que dura muito tempo, a fundição sob pressão é adequada para fabricação de peças metálicas complexas, oferecendo grande valor quando se trata de produção em massa.

Vários metais podem ser materiais adequados para fundição sob pressão. Estes são principalmente metais não-ferrosos (metais que não contêm quantidade significativa de ferro), embora ocasionalmente metais ferrosos também possam ser usados. Os principais materiais para fundição sob pressão são ligas de alumínio, magnésio e zinco, todos os quais têm vantagens particulares e aplicações adequadas no mundo da manufatura.

Este artigo analisa os melhores materiais para fundição sob pressão, listando seus respectivos benefícios e aplicações comuns no mundo da manufatura.

O que é Fundição sob Pressão (Die Casting)?

A fundição sob pressão é uma forma de fundição de metal, uma família de processos na qual metal fundido é vertido ou forçado em uma cavidade de molde. Existem muitas formas de fundição de metal, incluindo fundição em areia (baixo custo), microfusão (baixo volume) e fundição sob pressão (alto volume). Processos de fundição diferem em termos de seus tipos de modelo, tipos de molde, materiais compatíveis e métodos de entrega de material (ex: vazamento por gravidade vs injeção de alta pressão).

Dentro da família de fundição de metal, a fundição sob pressão é particularmente adequada para produção de alto volume de peças complexas. Isso ocorre porque usa um molde permanente na forma de dois moldes de aço para ferramentas (tool steel dies). Estes moldes são caros para fazer — geralmente via usinagem — mas duram muito tempo e fornecem valor a longo prazo.

A fundição sob pressão é empregada em muitas indústrias na produção de produtos industriais, comerciais e de consumo. Comparada a outras técnicas de fundição de metal, é melhor adequada para peças de tamanho pequeno ou médio que requerem bom acabamento superficial.

O Processo de Fundição sob Pressão

A fundição sob pressão tem algumas variantes (discutidas na seção seguinte) mas o processo geralmente segue uma rotina definida.

Antes que a fundição sob pressão comece, um fabricante deve obter dois moldes metálicos: a metade do molde de cobertura (cover die half) e a metade do molde ejetor (ejector die half). Juntos, estes dois moldes formam a ferramentaria para fundição sob pressão, e o espaço entre as duas metades do molde funciona como a cavidade do molde. Moldes são tipicamente usinados de aço para ferramentas endurecido, que é altamente durável.

A primeira etapa propriamente dita do processo de fundição sob pressão envolve preparar os moldes para fundição. Isso implica aplicar lubrificante (geralmente à base de água) nas paredes da cavidade, assegurando que as fundições não grudem no interior dos moldes. Lubrificante também ajuda com controle de temperatura.

A próxima etapa é entrega de material. Na maioria das configurações de fundição sob pressão, a máquina de fundição sob pressão injeta metal fundido na cavidade do molde sob alta pressão — embora o grau exato de pressão dependa do tipo de material e se é uma máquina de fundição sob pressão de câmara quente ou câmara fria. Pressão assegura que o material seja forçado até nas menores fendas, e esta pressão é mantida enquanto o metal fundido esfria e solidifica para mitigar contração.

Após o metal ter esfriado e solidificado dentro da cavidade do molde, a fundição é ejetada abrindo os moldes e empurrando suavemente as fundições para fora dos moldes com pinos ejetores. Outro ciclo pode ser preparado imediatamente após a ejeção, permitindo manufatura rápida em massa de peças idênticas.

A etapa final do processo de fundição sob pressão é a etapa de limpeza (shakeout), que envolve cortar (manualmente ou via maquinário especial) os pedaços extras de metal anexados à fundição, incluindo rebarba da linha de separação e quaisquer canais de entrada, canais de distribuição e canais de alimentação (partes do design do molde que permitem metal fundido entrar na cavidade do molde).

A fundição sob pressão produz um excelente acabamento superficial que não requer o mesmo nível de pós-processamento que, por exemplo, peças usinadas ou impressas em 3D.

Fundição sob Pressão de Câmara Quente vs Câmara Fria

A fundição sob pressão divide-se em dois subtipos principais: fundição sob pressão de câmara quente e fundição sob pressão de câmara fria. Estes subtipos diferem em termos de onde o metal é derretido e como é injetado. Crucialmente, apenas certos materiais são adequados para fundição sob pressão de câmara quente. (Note que fundição sob pressão de câmara fria ainda requer metal totalmente fundido; não processa metal em sua forma sólida.)

A principal característica de uma fundição sob pressão de câmara quente é a capacidade de aquecer metal dentro da máquina de fundição sob pressão. Às vezes chamadas de máquinas pescoço de ganso (gooseneck machines), estes sistemas contêm uma área de combustão interna e um pote para o metal fundido. Um pistão (hidráulico ou pneumático) força metal fundido da câmara para o molde, após o que a câmara pode ser imediatamente recarregada em preparação para o próximo ciclo.

Fundição sob pressão de câmara fria requer aquecimento externo de materiais de fundição sob pressão, e o metal fundido deve então ser transferido para a máquina de fundição sob pressão com um tubo de transferência ou concha (ladle). Um ariete força o metal fundido da câmara para o molde (em pressão mais alta que a usada para fundição sob pressão de câmara quente). Este processo é mais lento, já que o metal precisa ser transferido da fonte externa para cada ciclo.

Embora a fundição sob pressão de câmara quente seja mais rápida, é mais limitada em sua compatibilidade de material. Tipicamente só funciona para metais com baixo ponto de fusão como zinco, magnésio e ligas de chumbo. Não pode processar ligas de alumínio, pois estas podem captar ferro da câmara.

Considerações sobre Materiais de Fundição sob Pressão

Fabricantes devem considerar certos fatores e variáveis ao escolher materiais de fundição sob pressão. Estes incluem:

• Se o material é adequado para fundição sob pressão de câmara quente
• Custos de material
• Custos indiretos de materiais (ex: qualquer pós-processamento extra requerido)
• Propriedades estruturais do material
• Resistência
• Peso
• Acabamento superficial
• Usinabilidade

Todos estes fatores devem ser considerados ao escolher um material de fundição sob pressão para peças ou protótipos.

Ligas de Alumínio para Fundição sob Pressão

Alumínio é um dos principais metais para fundição sob pressão, e ligas de alumínio são usadas em fundição sob pressão de câmara fria. Estas ligas tipicamente contêm silício, cobre e magnésio.

Ligas de alumínio para fundição sob pressão são leves e oferecem boa estabilidade dimensional, o que as torna boa escolha para peças complexas e com detalhes finos. Outras vantagens incluem boa resistência à corrosão, resistência à temperatura, e condutividade térmica e elétrica.

Ligas comuns de alumínio para fundição sob pressão incluem:

• 380: Liga de alumínio de uso geral que balanceia fundibilidade com boas propriedades mecânicas. Usada em grande variedade de produtos, incluindo suportes de motor, móveis, gabinetes de eletrônicos, estruturas, alças, caixas de câmbio e ferramentas elétricas.
• 390: Liga com excelente resistência ao desgaste e vibração. Desenvolvida especificamente para fundição sob pressão de blocos de motor automotivo e também adequada para corpos de válvulas, impulsores e carcaças de bombas.
• 413: Liga de alumínio com excelentes propriedades de fundição. Tem boa estanqueidade à pressão e é portanto usada para produtos como cilindros hidráulicos, bem como peças arquitetônicas e equipamentos para indústria de alimentos e laticínios.
• 443: A mais dúctil das ligas de alumínio para fundição sob pressão, esta liga é adequada para bens de consumo, especialmente aqueles que requerem deformação plástica após fundição.
• 518: Liga de alumínio dúctil com boa resistência à corrosão. Usada em variedade de produtos, incluindo ferragens de aeronaves, ferragens ornamentais e componentes de escadas rolantes.

Ligas de Magnésio para Fundição sob Pressão

Magnésio é outro material de fundição sob pressão muito popular. É ainda mais leve que alumínio, com a vantagem adicional de ser altamente usinável — tornando-o adequado para peças fundidas que requerem detalhes usinados adicionais ou acabamento superficial usinado.

Uma grande vantagem das ligas de magnésio para fundição sob pressão é sua adequação para fundição sob pressão de câmara quente, tornando-as mais fáceis de usar que metais de fundição sob pressão como alumínio. Outros elementos em ligas de magnésio incluem alumínio, zinco, manganês e silício.

Ligas comuns de magnésio para fundição sob pressão incluem:

• AZ91D: Liga de uso geral com boa fundibilidade, resistência à corrosão e relação resistência-peso. Aplicações incluem componentes mecânicos e de trem de força.
• AM60: Liga com boa fundibilidade, resistência, amortecimento de vibração e ductilidade. Usada em componentes automotivos como estruturas e painéis de assento.
• Ligas de terras raras AS41B e AE42: Ligas com resistência superior à temperatura, bem como boa resistência à fluência (creep), resistência à corrosão e ductilidade. Ambas ligas encontram-se em peças de motor.

Ligas de Zinco para Fundição sob Pressão

Outra categoria principal de metais para fundição sob pressão são ligas de zinco. Fundíveis em máquina de fundição sob pressão de câmara quente, o zinco é o mais amigável ao fabricante dos materiais de fundição sob pressão e oferece outros benefícios como resistência a impacto, ductilidade e adequação para revestimento. Devido à sua fundibilidade, também resulta em desgaste mínimo do molde.

Zinco é mais pesado que alumínio e magnésio e é geralmente ligado com alumínio, cobre e magnésio.

Ligas comuns de zinco para fundição sob pressão incluem:

• Zamak 3: Liga de zinco de uso geral que é fácil de fundir e oferece excelente estabilidade dimensional. Na América do Norte, mais de dois terços das fundições sob pressão de zinco usam Zamak 3. Usos de exemplo incluem ventiladores de teto e componentes de encanamento.
• Zamak 2: Liga ligeiramente mais forte e mais cara com teor de cobre adicionado. Frequentemente usada para produzir ferramentaria para moldagem por injeção plástica.
• Zamak 5: Liga de zinco próxima em composição ao Zamak 3 mas com maior resistência à tração e menor ductilidade. Popular para produtos como peças automotivas e pesos de balanceamento de rodas.

Outras Ligas para Fundição sob Pressão

Outros materiais para fundição sob pressão incluem cobre, tombac de silício, chumbo e ligas de estanho, além de ligas zinco-alumínio.

Ligas de cobre exibem alta resistência, dureza e resistência à corrosão, além de excelente estabilidade dimensional. Enquanto isso, ligas de chumbo e estanho são muito densas e podem ser resistentes à corrosão. Ligas zinco-alumínio são reconhecíveis pelo prefixo ZA; aquelas com menor teor de alumínio podem ser fundidas em câmara quente, mas aquelas com 11% ou mais tipicamente não podem.