Passos Essenciais do Processo de Fundição: 4 Fases Principais Explicadas

As Quatro Etapas do Processo de Fundição

Os quatro passos principais envolvidos no processo de fundição são: 1. Preparação do Modelo e do Molde; 2. Fusão e Vazamento do Metal Liquefeito; 3. Resfriamento e Solidificação do Metal Líquido; 4. Defeitos e sua Inspeção.

1. Preparação do Modelo e do Molde

O modelo é a réplica da peça a ser fundida e serve para preparar a cavidade do molde. Modelos são feitos de madeira ou metal. Um molde é um conjunto de dois ou mais blocos metálicos ou partículas refratárias aglomeradas (areia) contendo uma cavidade principal.

A cavidade do molde mantém o material líquido e atua essencialmente como o negativo do produto desejado. O molde também contém cavidades secundárias para vazamento e canalização do material líquido até a cavidade principal e para atuar como reservatório, se necessário.

Uma estrutura de quatro lados na qual se faz um molde de areia é chamada de flask (caixa de moldar). Se o molde é feito em mais de uma parte, a porção superior é chamada de cope (cope) e a inferior de drag (drag).

Para produzir seções ocas, impede-se a entrada do metal líquido colocando um núcleo (core) na porção correspondente da cavidade do molde. As projeções no modelo para posicionar o núcleo no molde são chamadas de marcas de núcleo (core prints). Existem diversos tipos de modelos e moldes dependendo do material, da peça e do número de fundições requeridas.

Folgas do Modelo (Pattern Allowances)

Um modelo é sempre feito ligeiramente maior que a peça final. Esse excesso dimensional é chamado de folga do modelo. Existem duas categorias principais: folga de retração e folga de usinagem.

Folga de Retração (Shrinkage Allowance)

É prevista para compensar as contrações da fundição. A contração total ocorre em três estágios:

1. Contração do líquido da temperatura de vazamento até a de solidificação;
2. Contração associada à mudança de fase de líquido para sólido;
3. Contração do sólido da temperatura de solidificação até a ambiente.

Apenas o último estágio é compensado pela folga de retração. O valor depende do coeficiente linear de expansão térmica (αₗ) do material. Para uma dimensão l da fundição, a folga é αₗ × l × (θf – θ₀), onde θf é o ponto de solidificação e θ₀ a temperatura ambiente. A Tabela 2.1 apresenta valores típicos para diferentes materiais.

Folga de Usinagem (Machining Allowance)

Como a superfície fundida costuma ser rugosa, operações de usinagem são necessárias para o acabamento final. O excesso dimensional para permitir essa usinagem é a folga de usinagem. Depende do material, dimensão geral da peça e tipo de superfície (interna/externa). Para superfícies internas, as folgas são negativas; normalmente adiciona-se 1 mm aos valores da tabela.

Inclinação de Desmoldar (Draft)

É um cone intencional nas superfícies paralelas à direção de retirada do modelo, facilitando sua remoção. O valor médio varia entre 0,5° e 2°.

Preparação do Molde

Moldes são feitos à mão para pequenas quantidades; para grandes séries, usam-se máquinas de moldar. Para facilitar a remoção do modelo, aplica-se um agente de desmoldar (ex.: talco não umectante). Areia de revestimento de grão fino garante bom acabamento na fundição. Um peso morto é colocado sobre o cope para evitar que flutue devido às forças hidrodinâmicas do metal líquido.

Para moldes grandes, evitam-se quedas de areia do cope usando suportes extras chamados gaggers. Para peças com reentrâncias (ex.: roda com canal no aro), o molde pode ter três partes: a intermédia chama-se cheek. Furos de ventilação no cope permitem a escape de gases.

Máquinas de Moldar

Operam por princípios como: jolting (batida), squeezing (prensagem) e sand slinging (arremesso de areia). O jolting levanta e solta o molde 50–100 vezes/minuto, adequado para superfícies horizontais. A prensagem serve para caixas rasas. O arremesso de areia é rápido e uniforme, mas tem alto custo inicial.

2. Fusão e Vazamento do Metal Liquefeito

Fusão

Cuidados durante a fusão são essenciais para fundições sem defeitos. Fatores: gases no metal, seleção e controle de sucata, fundente, forno e temperatura.

Gases nos Metais

Gases normalmente causam defeitos, mas quantidades controladas de gases específicos podem melhorar certas propriedades. Em fundições, os gases podem: (i) ficar aprisionados mecanicamente (evitados com ventilação adequada); (ii) gerar-se por variação de solubilidade com temperatura e fase; (iii) formar-se por reações químicas. Os mais comuns são hidrogênio e nitrogênio.

Metais dividem-se em endotérmicos (Al, Mg, Cu, Fe, Ni) e exotérmicos (Ti, Zr). Endotérmicos absorvem menos H₂; a solubilidade aumenta com a temperatura. Em exotérmicos, o inverso ocorre. A solubilidade S = C exp[–Es/(kθ)], onde Es (positivo para endotérmicos) é o calor de solução de 1 mol de H₂. A equação mostra que a precipitação de gás durante o resfriamento não ocorre em metais exotérmicos (Es negativo).

O H₂ dissolve-se intersticialmente em metais exotérmicos, distorcendo a rede; em endotérmicos, ocupa defeitos da rede sem distorção. A Tabela 2.2 mostra solubilidades nas fases sólida e líquida na temperatura de solidus. A diferença causa evolução de gases.

Em fundição ferrosa, a solubilidade de H₂ é problema agudo: embora o peso pareça desprezível, o volume evoluído na solidificação é grande. A lei de Sievert diz que a quantidade de H₂ dissolvido varia com a raiz quadrada da pressão parcial. Fontes primárias: umidade do forno, ar, óleo, graxa. Não há adição simples para remover H₂ como escória; deve-se manter o nível mínimo.

Técnicas de remoção baseiam-se em reduzir a pressão parcial de H₂ borbulhando gás seco insolúvel (Cl₂, N₂, He, Ar para não-ferrosos). N₂ não serve para ferrosos e ligas de Ni (forma nitretos, altera tamanho de grão); usa-se bolhas de CO, que removem H₂ e N₂; o teor de C é controlado por oxidação e recarburização subsequentes.

Em ferrosos, a queda brusca na solubilidade de N₂ na mudança de fase pode causar porosidade. A reentrada de N₂ do ar é impedida pela escória impermeável no topo do banho. Fusão a vácuo vem sendo cada vez mais usada para evitar dissolução de gases e combinação de elementos reativos. Adições na concha (ladle) são mais eficazes para controle de gases e composição química.

Forros

A seleção depende da química do metal, temperatura máxima requerida, taxa e modo de fornecimento do metal, tamanho e forma da matéria-prima. A química do metal dita não só o controle de elementos padrão, mas também propriedades mecânicas importantes (ex.: usinabilidade).

A temperatura ótima após fusão é decidida pela fluidez do metal: habilidade relativa do líquido de preencher o molde a dada temperatura. Menor viscosidade → maior fluidez. Verifica-se vazando uma espiral padrão a várias temperaturas; o comprimento preenchido antes da solidificação mede a fluidez. Quanto maior a fluidez, menor a diferença necessária entre temperatura de vazamento e de fusão. Para preencher seções finas e intrincadas, essa diferença deve ser mínima; diferença grande implica custo maior e mais solubilidade de gases.

A taxa e modo de fornecimento do metal líquido dependem do processo — fusão em batelada ou contínua.

Vazamento (Projeto de Alimentação)

Após a fusão, o metal é vazado ou injetado na cavidade do molde. Um bom projeto de alimentação garante distribuição do metal na cavidade na taxa adequada, sem perda excessiva de temperatura, turbulência, aprisionamento de gases e escórias.

Se o vazamento for muito lento, a solidificação pode iniciar antes do enchimento completo; evita-se com superaquecimento excessivo, mas isso aumenta solubilidade de gases. Se a velocidade for muito alta, a superfície do molde sofre erosão. Busca-se um compromisso para velocidade ótima.

3. Resfriamento e Solidificação do Metal Líquido

Entender o mecanismo de solidificação e resfriamento é essencial para fundições bem-sucedidas. Durante a solidificação, definem-se estrutura cristalina e composição da liga em diferentes partes da peça. Sem cuidado, ocorrem defeitos: cavidade de retração, cold shut, misrun, trinca a quente.

Projeto e Posicionamento do Alimentador (Riser)

O tempo de solidificação depende principalmente da relação V/A (volume/área de dissipação de calor). O calor total é proporcional ao volume; a taxa de dissipação depende da área. Essa informação orienta o projeto do alimentador para que ele solidifique após a fundição.

O volume de metal líquido necessário do alimentador compensa apenas a retração da temperatura de vazamento até a solidificação (2,5% a 7,5% conforme o metal). Um alimentador muito grande (para garantir tempo de solidificação longo) é antieconômico. Deve-se projetar o alimentador com volume mínimo mantendo taxa de resfriamento mais lenta que a da fundição.

Uma fundição com alta relação área/volume requer alimentador maior que o determinado apenas pela taxa de resfriamento. Exemplo: chapa de aço 25×25×0,25 cm tem A/V alto; o alimentador calculado apenas por resfriamento teria 1,95 cm³ — insuficiente.

Para dada forma do alimentador, suas dimensões devem dar o menor A/V possível, e o volume mínimo deve vir da consideração de retração. Lembra-se que o metal flui do alimentador para o molde apenas na fase inicial da solidificação; assim, o volume mínimo deve ser ~3 vezes o ditado apenas pela retração.

Para verificar a adequação do tamanho do alimentador em fundição de aço, usa-se a relação de Caine. O tempo de solidificação é proporcional ao quadrado de (V/A). A relação de Caine assume taxa de resfriamento linearmente proporcional a A/V. Em um gráfico volume-relativo vs. congelamento-relativo, se o ponto da combinação fundição-alimentador cai à direita da curva, o alimentador é adequado. A equação da curva envolve constantes: a (constante de congelamento do metal), b (razão de contração líquido-sólido), c (constante dependente dos meios ao redor). Para aço, típico: a = 0,1; b = 0,03.

O cálculo tedioso de (A/V)c para fundições complexas gerou outro método usando curva de alimentador onde o fator de forma (l + w)/h substitui (A/V)c no eixo x (l, w, h = comprimento, largura, espessura máximos). Este método e o de Caine dão resultados quase idênticos para formas simples. Se os apêndices ao corpo principal são finos, o tempo de solidificação não altera significativamente; um aumento marginal no volume calculado do alimentador (baseado no corpo principal) resolve. Conforme os apêndices engrossam, calcula-se o volume do alimentador com base no volume total modificado: volume da seção principal + porcentagem efetiva do volume do apêndice (volume parasita). A porcentagem efetiva vem de curvas (Fig. 2.33). Forma é chapa se largura > 3× profundidade; barra caso contrário.

Meios especiais para controlar taxa de resfriamento: blocos de resfriamento (chill) ou aletas finas na fundição aumentam sua taxa; resfriamento é menos eficaz se a condutividade térmica do metal for maior que a do chill. Para aumentar o tempo de solidificação do alimentador, adicionam-se compostos exotérmicos no alimentador para mantê-lo líquido por mais tempo.

Além do tamanho, deve-se garantir que o metal líquido no alimentador possa alimentar as regiões desejadas da fundição. O gradiente térmico dentro da fundição no estágio final de resfriamento é o fator mais importante. O gradiente mínimo admissível depende da forma e tamanho da seção. Normalmente, para fundição com baixo A/V (ex.: cubo, esfera), um alimentador central alimenta toda a peça. Para alto A/V (ex.: barra, chapa), geralmente mais de um alimentador é necessário; sua localização adequada é crítica.

Para chapa de aço até 100 mm de espessura (t), um alimentador central é satisfatório se a distância máxima de alimentação for < 4,5t a partir da borda do alimentador (Fig. 2.34a). Dos 4,5t totais, o gradiente do alimentador prevalece até 2t; o gradiente da parede final prevalece nos 2,5t restantes. Assim, a distância máxima entre bordas de dois alimentadores consecutivos é 4t (não 9t) — Fig. 2.34b.

Barra de seção quadrada (lado s = 50–200 mm) pode ser alimentada por um único alimentador até distância máxima de 30√s a partir da borda. Distância máxima entre bordas de dois alimentadores consecutivos é 1,2s (não 60√s).

A presença de chill no molde aumenta a distância de alimentação do alimentador, criando gradiente térmico agudo e diminuindo a resistência à alimentação. Se um único alimentador, o chill deve ficar nas extremidades; se mais de um, no ponto médio entre eles. A Fig. 2.35 mostra esquematicamente o posicionamento correto de alimentadores e chills.

4. Defeitos e sua Inspeção

O tratamento restringe-se essencialmente a fundições em molde de areia.

Defeitos na Fundição

Os defeitos podem surgir de defeitos em: (i) projeto da fundição e do modelo; (ii) areia de moldar e projeto do molde e núcleo; (iii) composição do metal; (iv) fusão e vazamento; (v) alimentação e risering.

Os defeitos mais comuns em fundição em areia:

• Sopro (Blow): Cavidade grande e arredondada por gases que deslocam metal fundido na superfície do cope. Ocorrem em superfícies convexas; evitam-se com ventilação adequada, permeabilidade, teor controlado de umidade e voláteis na areia.
• Cicatriz (Scar): Sopro raso, geralmente em superfície plana.
• Bolha (Blister): Cicatriz coberta por fina camada de metal.
• Buracos de gás (Gas holes): Bolhas de gás aprisionadas, quase esféricas, por excesso de gases dissolvidos no metal líquido.
• Microfuros (Pin holes): Pequenos sopros, na superfície ou logo abaixo, numerosos e uniformemente distribuídos.
• Porosidade: Pequeninos furos uniformemente dispersos; surge quando a solubilidade de gás diminui na solidificação.
• Queda (Drop): Projeção irregular na superfície do cope; causada por queda de areia do cope ou projeções suspensas no molde. Areia com resistência adequada e gaggers ajudam a evitar.
• Inclusão: Partícula não metálica na matriz metálica; indesejável quando segregada.
• Escória (Dross): Impurezas leves na superfície superior; controlada na vazamento com coador e skim bob.
• Sujeira (Dirt): Partículas de areia do cope incrustadas na superfície superior; ao remover, deixam pequenos furos angulares. Sugere que superfícies críticas fiquem no drag.
• Lavagem (Wash): Baixa projeção na superfície do drag perto da comporta; causada por erosão da areia pelo jato de alta velocidade na alimentação por fundo.
• Ondulação (Buckle): Depressão larga, rasa, em V, em fundição plana de metal de alta temperatura. Expansão da camada fina de areia na face do molde antes da solidificação do metal; obstruída pelo flask, a face abomba. Aditivos voláteis na areia fazem espaço para expansão e evitam buckles.
• Crosta (Scab): Camada rugosa e fina de metal protrudindo sobre fina camada de areia, presa por um fio metálico através da areia. Resulta quando areia abombada se separa da superfície do molde e metal líquido flui no espaço.
• Cauda de rato (Rat tail): Depressão longa, rasa, angular, em fundição fina. Mesma causa do buckle; aqui a camada comprimida falha por deslizamento de uma camada sobre outra.
• Penetração: Se a superfície do molde é muito mole e porosa, o metal flui entre grãos de areia, causando projeções porosas rugosas. Fusão de areia na superfície dá aspecto rugoso e brilhante.
• Inchaço (Swell): Em superfícies verticais, causado por deformação da areia pela pressão hidrostática do alto teor de umidade.
• Falta de enchimento (Misrun): Metal começa a solidificar antes de atingir o ponto mais distante da cavidade por superaquecimento insuficiente.
• Fechamento a frio (Cold shut): Em fundição com comportas nos dois lados, o misrun aparece no centro.
• Trinca a quente (Hot tear): Trinca por tensões residuais elevadas.
• Cavidade de retração (Shrinkage cavity): Alimentador inadequado.
• Desalinhamento (Shift): Desalinhamento entre metades do molde ou do núcleo (mould shift ou core shift).

Inspeção de Fundições

Técnicas não destrutivas são essenciais para confiança no produto fundido. Principais métodos:

1. Inspeção Visual: Detecta superfícies rugosas (areia fundida), desalinhamentos óbvios, ausência de núcleos, trincas superficiais. Trincas também detectadas batendo com martelo e ouvindo o tom.
2. Ensaio de Pressão: Para fundições que serão vasos de pressão. Veda-se flanges e portas, enche-se com água, óleo ou ar comprimido, submerge-se em solução de sabão; vazamentos aparecem como bolhas.
3. Ensaio por Partículas Magnéticas: Para vazios e trincas minúsculos na superfície ou subsuperfície de materiais ferromagnéticos. Magnetiza-se a peça, espalha-se pó ferromagnético; descontinuidades causam vazamento de fluxo magnético, acumulando o pó e delineando o defeito.
4. Ensaio por Líquido Penetrante: Para defeitos superficiais invisíveis em fundições não magnéticas. Aplica-se corante fluorescente, limpa-se, seca-se, observa-se no escuro; descontinuidades ficam visíveis.
5. Ensaio Radiográfico: Caro, para exploração subsuperficial. Usa raios X e γ; com γ, expõe-se mais de um filme simultaneamente; raios X dão imagens mais nítidas. Detecta vazios, inclusões não metálicas, porosidade, trincas, rasgões. No filme, defeitos (menos densos) aparecem mais escuros.
6. Ensaio Ultrassônico: Oscilador envia sinal ultrassônico através da fundição. Em meio homogêneo, transmite-se; em descontinuidade, reflete-se. O intervalo entre envio e recepção da reflexão localiza a descontinuidade. Não adequado para materiais com alta capacidade de amortecimento (ex.: ferro fundido), pois o sinal enfraquece rapidamente.