Metais Ferrosos e Não-Ferrosos: Otimizando Design de Fundição para Desempenho e Eficiência

Características e composição de metais para design de fundição

Qualquer metal sólido que possa ser derretido pode ser fundido. Fundições são as fábricas que fazem este trabalho de fundição, desenvolvendo especialização com um punhado de metais e métodos, e projetando produtos padrão para maximizar valor e eficiência na produção.

Metais e métodos de fundição influenciam-se mutuamente: a melhor escolha de fundição para um produto é influenciada por como seu metal se comportará em estados fundido, de arrefecimento, e sólido. Por estas dependências, as especialidades duma fundição são parte da determinação do tipo de produtos que fazem. A fundição que faz brinquedos de crianças por fundição sob pressão não é geralmente a mesma fundição que produz peças de motor de alta qualidade.

Uma das principais distinções em especialização é se fundições trabalham com metais ferrosos, não-ferrosos, ou ambos. A definição de metal ferroso é qualquer metal que contém ferro; metais não-ferrosos não o contêm. Metalurgia ferrosa representa aproximadamente 90% da produção mundial de metal. Ferro cinzento é o metal mais comum fundido em fundições. Fora da fundição, aço é a liga ferrosa mais usada na indústria, construção, e transporte.

Fundações que se especializam em métodos comuns de fundição como fundição em areia geralmente trabalham em metais escolhidos por qualidades específicas como facilidade de fusão e vazamento, captura de detalhe dentro do molde, comportamento previsível durante arrefecimento, e prontidão para usinagem ou acabamento.

Metais ferrosos e suas propriedades

Atributos assinatura do ferro são que é denso, forte quando misturado com carbono, abundante e fácil de refinar, altamente propenso à corrosão, e magnético. Ligar ferro com outros elementos em diferentes proporções pode mitigar ou eliminar um ou mais destes fatores.

Centenas de ligas ferrosas são bem conhecidas. São especificadas pelas proporções de cada elemento em sua composição, bem como direções sobre sua fusão e acabamento. Ligas ferrosas com carbono são geralmente chamadas ferro ou aço, e podem conter qualquer número de outros elementos, de alumínio a vanádio, baseadas em sua especificação. Estes metais são geralmente escolhidos por suas propriedades mecânicas. Engenheiros e designers podem estar interessados em seu limite de escoamento, tenacidade, ductilidade, soldabilidade, elasticidade, cisalhamento, e expansão térmica, todos os quais descrevem como um material se comportará sob tensões específicas.

Estes aspectos distintivos do ferro podem ser mudados em ligas, que misturam ferro com outros elementos. Aço inoxidável é bom exemplo, com algumas ligas de inoxidável sendo tanto não-magnéticas quanto não-corrosivas. Uma forma comum de saber se metal é aço é colocar ímã contra ele, já que o ferro na liga fará o ímã grudar; no entanto, pessoas que tentaram grudar ímãs em suas geladeiras de aço inoxidável sabem que isto não é teste infalível. Embora o ferro ainda esteja presente nesta liga ferrosa, alta porcentagem de níquel muda a microestrutura do aço o suficiente para prevenir reação magnética. Aço inoxidável pode enferrujar, embora seja muito mais resistente à corrosão que outros tipos de ligas de ferro. Isto é devido à adição de cromo. Cromo protege contra ferrugem através de processo chamado passivação, no qual as moléculas superiores do metal oxidam mas ficam firmemente ligadas ao metal abaixo, formando casca impenetrável.

Em metais ferrosos, ferro e aço são os materiais de fundição mais comuns.

Ferro

Ferros fundidos são categoria de ligas de ferro com teor de carbono maior que 2%. São ferros relativamente baratos, densos. Quando aquecidos e fundidos, têm fluidez muito maior a temperaturas mais baixas que aço, significando que podem fluir para e preencher partes de molde complexo com maior eficiência. Ferros fundidos também encolhem à metade da taxa do aço durante arrefecimento.

Ferros fundidos básicos têm boas propriedades de compressão, mas são frágeis: fraturarão antes de dobrar ou distorcer. Esta vulnerabilidade pode significar que graus frágeis de ferro fundido não são usados para designs com detalhes salientes ou elaborados, ou com arestas muito afiadas, pois estas características podem lascar.

Ferro Cinzento é o tipo mais comum de ferro fundido atualmente produzido, presente em tudo desde tampas de bueiro a freios a disco em carros. Recebe seu nome da cor que assume na fratura, que é cinzenta devido à presença de grafite como aditivo de carbono. Ferro cinzento é 2,5–4% carbono por peso, e adicionalmente contém 1–3% silício, que estabiliza o grafite. Tem muitos atributos do ferro fundido básico, pois é barato e tem alta fluidez comparado a aço quando fundido, mas a presença do grafite permite que o ferro seja algo menos frágil, permitindo usinagem mais fácil. Ferro cinzento ainda é inflexível: dobra muito pouco antes de quebrar.

Ferro Dúctil é forma de ferro fundido no qual o carbono adicionado é grafite esférico (nodular). Ferro dúctil é geralmente 3,2–3,6% carbono por peso, e tem silício e outros elementos. Níveis mais altos de ferrita significam que acumula em ferramentas de corte durante usinagem, então é frequentemente usado em fabricação primariamente fundida, onde fluidez muito alta o torna ótima escolha para trabalho finamente detalhado. A forma esferoidal do grafite que dá ao ferro dúctil maior resistência a impacto e resistência à tração que ferro fundido ou cinzento, tornando designs detalhados ou com arestas viáveis. Ferro dúctil é recém-chegado relativo na especificação de ferros, pois foi descoberto em 1943.

Aço

Aços de todo tipo são também às vezes fundidos. Em geral, aço tem teor de carbono inferior a 2,14% por peso, e é frequentemente ligado com outros elementos. Aço tem propriedades mecânicas mais fortes que ferros fundidos, mas o que ganha em tenacidade perde em fluidez. Aço fundido precisa ser muito mais quente que ferro fundido para fluir em moldes detalhados, e as altas temperaturas requeridas para trabalhar com aço são desafiadoras para gerir e podem prejudicar o design e acabamento do objeto que sai do molde. Como com todas as fundições, partes diferentes duma peça podem arrefecer a taxas diferentes, e este diferencial causa tensão dentro do produto: porque aço encolhe mais extensiva e rapidamente que ferros fundidos, estas tensões precisam maior gestão em aço fundido.

Estes desafios significam que aço pode ser muito mais intensivo em mão de obra para fundir bem. Requer atenção especializada durante todas as etapas de sua produção. Ainda, a alta resistência mecânica do produto final pode fazer uma liga de aço a escolha clara para algumas aplicações, com usinagem fornecendo acabamentos de etapa final.

Outras ligas de ferro

Outras ligas de ferro existem fora destes tipos comuns, e são usadas em aplicações específicas onde seus comportamentos mecânicos são úteis. Por exemplo, elinvar é liga níquel-ferro que não expande e contrai com calor, e é usada em peças muito pequenas em relógios e outros dispositivos de precisão.

Metais não-ferrosos e seus usos

Estes metais incluem todo metal e liga que não contém ferro. Lista curta de metais não-ferrosos comuns incluirá:

• Metais preciosos como prata, platina, e ouro
• Cobre e suas ligas como bronze e latão
• Níquel, Paládio, Platina
• Titânio
• Alumínio
• Estanho, Chumbo
• Zinco

Com tal ampla gama de materiais neste agrupamento, muitas das propriedades mecânicas que recomendam ferro podem ser descobertas em metais não-ferrosos. Por exemplo, ligas de alumínio ou titânio poderiam ser substituídas por aço em muitos casos, se não fosse custo-proibitivo fazê-lo. Habilidades magnéticas do ferro poderiam ser emuladas com níquel, cobalto, ou elementos de terras raras ligados com outros metais.

No entanto, porque metais não-ferrosos frequentemente custam mais, tendem a ser escolhidos por seus atributos únicos, em vez das formas que podem comportar-se como aço. Pesos mais leves, condutividade, resistência à corrosão, propriedades não-magnéticas, tradição, ou valor decorativo são algumas das razões para escolher metal não-ferroso. Alguns metais são valorizados exatamente porque são raros: antes da fabricação generalizada de alumínio ser possível, alumínio era metal de luxo usado em utensílios de mesa de alta gama.

Todo tipo de materiais especializados são fundidos. No entanto, em fundições de areia tradicionais, há três metais não-ferrosos de fundição notáveis.

Bronze e latão

Bronze e latão foram os primeiros metais fundidos pela humanidade na Idade do Bronze, e estas ligas de cobre ainda são fundidas em areia hoje. São derretidos a temperaturas muito mais baixas que materiais ferrosos, e fundem detalhe bem, então são frequentemente usados em aplicações decorativas como estatuária. Bronze e latão são mais macios que aço, mas são resistentes à corrosão mesmo na presença de sal, então estes metais são usados em aplicações marítimas padrão como acessórios em barcos. Latão também é resistente a "galling", que é desgaste de metal contra si mesmo, e por isso latão é às vezes fundido para peças mecânicas, como hélices marítimas – ou usinado para mancais e zíperes. Ambas ligas são bastante caras pois dependem de cobre, metal também em demanda por suas propriedades elétricas.

Alumínio

Alumínio é metal com densidade muito menor que ferro, tornando-o material vital em aplicações que precisam resistência sem peso, como indústria aeroespacial. É resistente à corrosão porque alumínio, como aço inoxidável, reage à oxidação criando casca de óxido metálico que o protege.

Alumínio também tem ponto de fusão mais baixo que muitos dos aços ou ferros que poderia substituir, o que o torna mais fácil de fundir que aço, precisando menos supervisão para formas complexas. A maior desvantagem do alumínio é custo.

Considerando materiais de fundição

Ao projetar uma fundição, encontrar o metal perfeito para equilibrar valor e forma é arte e ciência. O metal certo para um trabalho satisfará tanto os requisitos estéticos quanto mecânicos da aplicação, e isto influenciará os métodos de produção requeridos para levar um protótipo a produto final.

Metais ferrosos são a escolha mais comum para fundições, frequentemente escolhidos por sua custo-eficiência e propriedades mecânicas. Às vezes não é a resistência dum metal que dita a escolha, mas propriedades como peso, resistência à corrosão, ou não-magnetismo. Ligas não-ferrosas como bronze e latão também podem ser escolhidas por tradição ou por sua beleza.

Consulta com engenheiro pode ajudar designer a encontrar harmonia entre os diferentes aspectos do seu projeto, escolhendo o metal perfeito para honrar tanto aplicação quanto orçamento.

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