Fundamentos da Fundição de Metais: Guia para Iniciantes

Visão geral da fundição de metais em uma fundição

Nossas vidas estão cheias de produtos de metal fundido. Muitos dos objetos metálicos que damos como garantidos — rodas de trem, engates de reboque, postes de luz, equipamentos industriais de grande escala e até esculturas — são fundidos em uma fundição. O grande número de diferentes aplicações para metal fundido demonstra sua versatilidade: o metal pode ser fundido em componentes metálicos duráveis e complexos com usinagem ou soldagem mínima, diminuindo a necessidade de mão de obra cara. Mais importante, fundições de metal tornaram-se usuárias significativas de sucata metálica reciclada, transformando objetos metálicos obsoletos em produtos úteis.

O que é Fundição de Metais?

Fundição é um processo que cria formas metálicas sólidas (fundidos) preenchendo vazios em moldes com metal líquido e, em seguida, deixando o objeto esfriar. As etapas básicas envolvidas na fabricação de fundidos são: modelagem (patternmaking), moldagem (molding), fusão e vazamento (melting & pouring), resfriamento (cooling), desmoldagem e limpeza (shakeout and cleaning), tratamento térmico (heat treating) e inspeção.

Modelagem (Patternmaking)

Em termos de fundição, um "padrão" (pattern) é uma réplica do objeto a ser fundido que é usada para moldar a cavidade do molde. Podem ser feitos de uma ampla gama de materiais, incluindo madeira, metal ou plásticos. Modelagem é o processo de produção desses padrões. Como o padrão determina a forma da fundição, uma fundição não pode ser melhor que o padrão a partir do qual é feita. Para produzir uma fundição de qualidade, é essencial que o padrão seja cuidadosamente projetado, construído e acabado.

As principais funções de um padrão são:

moldar a cavidade do molde
acomodar as características do metal fundido
fornecer dimensões precisas
fornecer um meio de entregar metal líquido no molde (o sistema de alimentação/gating system)

À medida que solidifica, o metal tende a encolher e/ou distorcer (em graus variados dependendo do metal fundido). O padrão é projetado com folgas de encolhimento e distorção embutidas para compensar. Também deve ser construído com um afilamento nas paredes verticais, chamado de desmoldagem (draft), necessário para extrair o padrão sem perturbar as paredes do molde.

Fundidos ocos podem ser criados com o uso de um núcleo (core) — uma peça adicional de areia ou metal que molda os furos internos e passagens de uma fundição. Cada núcleo é posicionado no molde antes do metal fundido ser vertido. Para manter cada núcleo no lugar, o padrão tem rebaixos chamados de core prints onde o núcleo pode ser ancorado.

Moldagem (Molding)

Moldagem é o processo de preparar um molde para receber metal fundido. Existem dois tipos distintos de processos de molde: Reutilizáveis e não reutilizáveis.

Como o nome sugere, moldes reutilizáveis podem ser usados repetidamente. O processo de fundição não degrada o molde durante a solidificação e resfriamento do metal. Moldes reutilizáveis são geralmente feitos de metal.

Em contraste, moldes não reutilizáveis são objetos temporários que são destruídos durante o processo de solidificação e resfriamento do metal. O método de molde não reutilizável mais amplamente usado é a fundição em areia (sand casting), um processo no qual areia especialmente tratada ("areia verde") é compactada ao redor do padrão e colocada em um suporte (flask). O padrão é então removido, núcleos são posicionados e o sistema de alimentação é estabelecido para guiar o metal fundido no molde.

Cada uma dessas categorias gerais de método de molde tem muitos subtipos especializados otimizados para diferentes metais de fundição e vários níveis de complexidade de padrão. Tais métodos incluem fundição por centrifugação (slush casting), fundição sob pressão (pressure casting), moldagem em casca (shell molding) e microfusão (investment casting).

Fusão e Vazamento (Melting & Pouring)

Existem duas categorias de metais a partir dos quais os fundidos são produzidos: ferrosos (metais que contêm ferro) e não ferrosos (metais que não contêm ferro). Ligas ferrosas incluem aço, ferro maleável e ferro cinzento. As ligas não ferrosas mais comumente usadas em fundição são alumínio e cobre; no entanto, ligas baseadas em magnésio, níquel e titânio são às vezes usadas para aplicações especializadas.

Os metais a serem fundidos — geralmente uma mistura de sucata reciclada e metais de liga — são carregados para "carregar" (charge) o forno. Uma vez dentro do forno, o metal é submetido a temperaturas extremamente altas até que o ponto de fusão (frequentemente acima de 2500°F ou 1370°C) seja atingido. Fornos especializados são necessários para atingir tais temperaturas elevadas.

Os dois tipos dominantes de forno de fusão empregados por fundições são arco elétrico e indução.

O forno a arco elétrico opera como um processo de fusão em lote, produzindo lotes de metal fundido conhecidos como "heats". O metal é fundido fornecendo energia elétrica ao interior do forno via eletrodos de grafite. Energia química adicional é fornecida por queimadores oxi-combustível e lanças de oxigênio. Oxigênio é injetado para remover impurezas e outros gases dissolvidos durante o processo de fusão. À medida que o metal funde, escória forma e flutua no topo do metal fundido; a escória, que frequentemente contém impurezas indesejáveis, é removida antes da desovagem (tap out - processo de remover metal do forno).

Um forno de indução transfere energia elétrica por indução — uma fonte elétrica de alta tensão de uma bobina primária induz uma baixa tensão, alta corrente na carga de aço, ou bobina secundária. Fornos de indução são capazes de fundir e ligar uma ampla variedade de metais com perda mínima de fusão; no entanto, quando se trata de refino de metal, são menos capazes que fornos a arco elétrico.

Devido aos seus respectivos pontos fortes e fracos, fornos a arco elétrico são mais amplamente usados para fundir metal ferroso, enquanto fornos de indução são mais dominantes em aplicações não ferrosas.

Solidificação, Ejeção e Limpeza

Cadinhos (crucibles), braços robóticos e máquinas de vazamento por gravidade são usados para mover metal fundido de um local para outro. Trabalhadores metálicos qualificados também vertem metal fundido usando conchas (ladles). Metal fundido é vertido no molde através de um sistema de canais de alimentação e risers; o metal esfria e solidifica, adotando permanentemente a forma do interior do molde (vazio) que ocupa. O fundido é então ejetado do molde, ou removido de um molde de areia por desmoldagem (shakeout).

Os canais de alimentação e risers que entregam metal fundido ao interior do molde também se enchem com metal fundido no processo. Metal no molde solidifica junto com metal no sistema de canais e risers, formando uma única peça. Imediatamente após ejeção/desmoldagem, metal do sistema de canais e risers ainda está preso ao corpo principal do fundido. Esse metal excedente é removido no processo de limpeza (martelo de lascar ou serra de fita são comumente usados). Uma mistura de tambores rotativos, unidades de jateamento a ar e lavadoras de pressão são usadas para limpar qualquer areia ou carepa remanescente.

O fundido resultante deve ser idêntico em forma e proporção ao padrão original, embora possa ser ligeiramente menor devido ao encolhimento do metal.

Tratamento Térmico e Inspeção

Alguns fundidos são usados em aplicações industriais exigentes: podem precisar manter sua forma exata em temperaturas de congelamento, resistir à corrosão em ambiente úmido ou suportar peso imenso. Tratamento térmico é usado para alterar as propriedades físicas do metal às especificações requeridas.

Tratamento térmico envolve o uso de aquecimento e resfriamento, frequentemente a temperaturas extremas, para reduzir tensão em uma peça fundida e/ou modificar as propriedades físicas do metal. A temperatura deve ser controlada com precisão para alcançar as propriedades físicas desejadas.

Antes que uma série de produção de fundidos possa ser considerada completa, suas propriedades físicas e integridade estrutural são testadas. Métodos de teste que requerem a destruição do fundido testado são conhecidos como testes destrutivos, enquanto aqueles que não danificam o fundido são categorizados como não destrutivos.

Os métodos de teste usados dependem de quão exigentes são as especificações. Para alguns produtos puramente estéticos, apenas uma inspeção visual breve para precisão dimensional, trincas e acabamento superficial é necessária. Por outro lado, se a fundição for necessária para realizar em capacidade industrial, pode ter todas as suas propriedades físicas (ductilidade, resistência à tração, alongamento, propriedades de impacto, dureza, etc.) testadas exaustivamente.

Vida Útil e Reciclagem

Após um fundido passar na inspeção, ele é enviado, vendido e colocado em serviço. Produtos de metal fundido, especialmente aqueles que passaram por tratamento térmico, são duráveis. Dependendo da liga metálica e aplicação, sua vida útil pode variar de alguns meses a várias décadas. Uma vez que a vida útil de uma fundição termina, o ciclo começa novamente. É coletado por um ferro-velho, reciclado e refundido em um novo objeto.

Interessado em aprender mais sobre produção personalizada de fundição de metal? Um entendimento mais profundo do processo de fundição de metal e como comunicar suas necessidades a uma fundição de produção ajudará a garantir que seu projeto de fundição seja bem-sucedido.