Fundição II

Fundição é um processo de fabricação onde um metal ou liga metálica, no estado líquido, é vazado em um molde com formato e medidas correspondentes aos da peça a ser produzida

Os processos de fundição são usualmente adotados para a fabricação de peças de ligas de alumínio fundidas.
Os processos mais comumente utilizados são fundição em areia (verde e estufada), em moldes permanentes ou semipermanentes e em máquinas sob pressão (“die casting”).
Além desses processos, em menor escala também são utilizados os processos de fundição centrífuga, fundição de precisão (“investiment” ou cera perdida), moldagem em gesso (“plaster”) e a moldagem em casca (“shell molding”).
A escolha do processo a ser utilizado depende de vários fatores, sendo que muitos aspectos do projeto serão influenciados pelo método de fundição.
Os fatores técnicos são o tamanho e a forma da peça, as características da liga tais como as propriedades físicas e mecânicas, as espessuras máxima e mínima de cada seção, a complexidade do desenho da peça, as tolerâncias dimensionais e o tipo de acabamento.
Os fatores econômicos são o número de peças idênticas a serem produzidas, a possibilidade de repetição de encomendas e os custos relativos de usinagem e acabamento das peças produzidas pelos diferentes processos.

Vantagens das peças fundidas:

• Podem apresentar formas externas e internas desde a mais simples até a mais complexa;
• Podem apresentar dimensões limitadas somente pelas restrições das instalações onde serão produzidas;
• Podem ser produzidas dentro de padrões variados de acabamento e tolerância dimensional (entre ±0,2 e 0,6 mm);
• Possibilita grande economia de peso, porque permite a obtenção de paredes com espessuras quase ilimitadas.

Processos:

• Fundição por gravidade;
• Fundição sob pressão;
• Fundição por centrifugação;
• Fundição de precisão (cera perdida);
• Casca ou “shellmolding”.

Passo a Passo:

Confecção do modelo:

Essa etapa consiste em construir um modelo com o formato aproximado da peça a ser fundida.
Esse modelo vai servir para a construção do molde e suas dimensões devem prever a contração do metal quando ele se solidificar
bem como um eventual sobremetal para posterior usinagem da peça.
Ele é feito de madeira, alumínio, aço, resina plástica e até isopor.

Confecção do molde:

O molde é o dispositivo no qual o metal fundido é colocado para que se obtenha a peça desejada.
Ele é feito de material refratário composto de areia e aglomerante.
Esse material é moldado sobre o modelo que, após retirado, deixa uma cavidade com o formato da peça a ser fundida.
A fase de moldagem permite distinguir os vários processos de fundição, os quais são classificados da seguinte maneira:
Moldagem em molde de areia ou temporário;

• por gravidade;
• areia verde;
• areia seca;
• areia-cimento.

Moldagem em molde metálico ou permanente:

• por gravidade;
• sob pressão.

Confecção dos machos:

Macho é um dispositivo, feito também de areia, que tem a finalidade de formar os vazios, furos e reentrâncias da peça.
Eles são colocados nos moldes antes que eles sejam fechados para receber o metal líquido.

Fusão:

Etapa em que acontece a fusão do metal.

Vazamento:

O vazamento é o enchimento do molde com metal líquido

Desmoldagem:

Após determinado período de tempo em que a peça se solidifica dentro do molde, e que depende do tipo de peça, do tipo de molde e do metal (ou liga metálica), ela é retirada do molde (desmoldagem) manualmente ou por processos mecânicos.

Rebarbação:

A rebarbação é a retirada dos canais de alimentação, massalotee rebarbas que se formam durante a fundição.
Ela é realizada quando a peça atinge temperaturas próximas às do ambiente.

Limpeza:

A limpeza é necessária porque a peça apresenta uma série de incrustações da areia usada na confecção do molde.
Geralmente ela é feita por meio de jatos abrasivos.

Características dos Materiais ligadas ao processo de fundição:

A peça produzida por fundição pode ter as formas e dimensões definitivas ou não.
Furos pequenos e detalhes complexos não são feitos na peça, embora apareçam no desenho.
Arredondamentode cantos e engrossamentodas paredes.
As propriedades mecânicas de peças fundidas geralmente são inferiores às propriedades de peças conformadas mecanicamente.

Defeitos que ocorrem durante o processo de fundição:

• Inclusão da areia do molde nas paredes internas ou externas da peça;
• Defeitos de composição da liga metálica que causam o aparecimento de partículas duras indesejáveis no material;
• Rechupe;
• Porosidade, ou seja, existência de “buraquinhos” dentro da peça.

Cristalização:

Consiste no aparecimento das primeiras células cristalinas unitárias, que servem como núcleos, para o posterior desenvolvimento ou crescimento dos cristais, dando, finalmente, origem aos grãos definitivos e à estrutura granular típica dos metais.
Esse crescimento dos cristais não se dá, na realidade, de maneira uniforme, ou seja, a velocidade de crescimento não é a mesma em todas as direções, variando de acordo com os diferentes eixos cristalográficos; no interior de um molde, o crescimento é limitado pelas paredes deste.
As dentritas formam-se em quantidades cada vez maiores até se encontrarem; o seu crescimento é, então, impedido pelo encontro das dentritas vizinhas, originando-se os grãos e os contornos de grãos, que delimitam cada grão cristalino, formando a massa sólida.
Os efeitos indesejáveis resultam do fato dessas diagonais constituírem planos de maior fragilidade de modo que, durante a operação de conformação mecânica a que essas peças são submetidas posteriormente -como laminação -, podem surgir fissuras que inutilizam o material.
Esse inconveniente é evitado arredondando-se os cantos.

Contração de volume:

• contração líquida;
• contração de solidificação;
• contração sólida.

A contração é expressa em porcentagem de volume.
No caso dos aços fundidos, por exemplo, a contração linear, devida à variação de volume no estado sólido, varia de 2,18 a 2,47%, o valor menor correspondendo ao aço de mais alto carbono (0,90%).
No caso dos ferros fundidos -uma das mais importantes ligas para fundição de peças -a contração sólida linear varia de 1 a 1,5%, o valor de 1 % correspondendo a ferro fundido cinzento comum e o valor 1,5% (mais precisamente de 1,3 a 1,5%) ao ferro nodular.
Para os outros metais e ligas, a contração linear é muito variada, podendo atingir valores de 8 a 9% para níquel e ligas cobre-níquel.
A fundição pode dar origem a peças acabadas, já em seu formato final, ou não.
Nesse caso, elas podem passar por processos de conformação mecânica (por exemplo, forja), ajustes dimensionais, soldagem ou usinagem (para peças que serão usinadas é comum deixar um sobreposição de metal).
Mas, de modo geral, as peças fundidas passam por processos de acabamento como corte de canais, usinagem, e rebarbação.
Quando necessário, as peças também podem passar por tratamento térmico para conferir maior resistência já que as peças fundidas apresentam menor resistência mecânica do que as peças produzidas por processos de conformação.
Existem vários processos diferentes para se produzir peças fundidas, os mais comuns são:

• Fundição por gravidade;
• Fundição por centrifugação;
• Sob pressão;
• Precisão.

Cada um se ajusta a determinadas exigências de qualidade, custo e tempo.
Mas, basicamente, o início do processo, é a produção de um modelo ou de um molde.
Os modelos são usados para dar forma ao fundido quando o molde utilizado é do tipo não permanente (geralmente de areia).
Os modelos podem fabricados de materiais como:

• madeira;
• plástico;
• isopor;
• metal;
• cera.

Podem ser aplicados produtos desmoldantes (talco, grafite) para facilitar sua retirada de dentro do molde.
Nos processos de fundição também podem ser utilizadas peças chamadas de machos, que servem para formar canais ou furos em peças que precisem ser vazadas.
Os machos devem ser feitos de um material resistente o suficiente para suportar o processo de vazamento do metal fundido, mas devem ser quebráveis após o processo de solidificação e esfriamento para que possa ser retirado da peça.
Os moldes, por sua vez, são o negativo da peça a ser produzida e o tipo de material com que são feitos depende do processo que será utilizado.
Os mais comuns são feitos de areia de fundição: a areia sintética, composta por uma mistura de areia, argila e água; a areia verde, que contém areia silicosa; e a areia seca, utilizada quando se precisa de peças com melhor acabamento ou estabilidade dimensional, que contém aditivos que melhoram suas propriedades.

Fundição por Gravidade:

No processo de moldagem com areia é reaproveitada cerca de 98% da areia utilizada. Ela é peneirada e volta para o processo.
Nesse processo, confecciona-se um modelo que pode ser de madeira, coloca-o em uma caixa com areia deixando-se dois canais, o de vazamento e o de alimentação.
Após o aquecimento e secagem do molde de areia, o modelo é retirado e é vazado o metal fundido que formará a peça.
Após a solidificação o molde pode ser quebrado para a retirada da peça ou pode-se utilizá-lo para a produção de outras peças (isso depende do formato da peça e do molde, se ele possui formato que permita a remoção da peça).
Também podem ser confeccionados moldes de metal (permanentes) ou mistos, com partes permanentes e partes temporárias (que podem ser quebradas após a solidificação do fundido).
O processo de fundição com uso de moldes permanentes de metal permite a fabricação de milhares de peças com um único molde que deve ser feito de um metal com ponto de fusão maior que o metal da peça a ser produzida.
Devido ao seu custo mais elevado, os moldes em metal são feitos apenas para produção de peças em série.
A moldagem em casca (“shell molding”) é um processo de confecção de molde em areia sobre um modelo de metal onde este é constituído por uma camada fina de areia com resina o que permite a utilização de uma menor quantidade de material no processo (mesmo assim, é um processo mais caro que o convencional, mas permite melhor acabamento).
Depois da confecção do molde ele passa por um processo de tratamento térmico para melhorar sua resistência e então, pode ser utilizado para o vazamento do fundido.

Fundição por Cera Perdida:

No processo de fundição por cera perdida são utilizados dois moldes.
O primeiro é feito de um metal que possa ser facilmente trabalhado no formato invertido da peça a ser produzida (geralmente em duas metades).
Depois enche-se esse molde com cera para formar os modelos, no formato da peça final. Coloca-se esses modelos em uma caixa que é preenchida com areia de fundição e aquecida até a cera derreter e escorrer e têm-se outro molde com o formato invertido da peça.
Este sim é preenchido com o metal fundido, dando origem à peça.
As vantagens desse processo é que podem ser produzidas várias peças em série com alto grau de detalhamento e praticamente acabadas. A desvantagem é que o tamanho das peças é limitado.

Fundição Sob Pressão:

Outro processo de fundição, é a fundição sob pressão onde o metal é bombeado para dentro do molde ou matriz e esta é resfriada com água para aumentar sua vida útil e permitir o resfriamento mais rápido do fundido.
Este processo permite a confecção de peças com paredes de espessura mais fina e com maior detalhamento já que o vazamento forçado permite um melhor preenchimento do molde.

Fundição Por Centrifugação:

A fundição por centrifugação consiste num equipamento onde o molde permanece girando enquanto é preenchido pelo metal, fazendo que o vazamento seja mais eficiente, porém, também é mais caro que o processo normal (por gravidade).
É neste processo que se produz os tubos sem costura.
A produção de lâminas ou chapas de aço também é um processo de fundição.
O metal fundido é vazado por uma câmara e uma matriz onde ele é resfriado apenas o suficiente para ir para o laminador, onde ficará na espessura final (as chapas mais finas podem passar por diversos laminadores até atingir a espessura desejada).

Controle de Qualidade:

ANSI/MSS SP-55-2011 - Quality Standard for Steel Castings for Valves, Flanges, Fittings, and Other Piping Components Visual Method for Evaluation of Surface Irregularities.
Padrão de Qualidade para Moldagem de Aço para Válvulas, Flanges, Conexões e Outros Componentes de Tubulação
- Método Visual para Avaliação de Irregularidades de Superfície de materiais fundidos.
Irregularidades.

Objetivo:

• Rejeitar as peças defeituosas;
• Preservar a qualidade das matérias primas utilizadas na fundição e a sua mão de obra.

Controle de processos

• Inspeção de modelos
• Moldação
• Fusão e vazamento
• Acabamento
• Tratamentos térmicos
• Análises de areias
• Análises químicas (espectrometria)

Controle de qualidade

• Visual e dimensional
• Partículas magnéticas e líquidos penetrantes
• Ultra som
• Dureza
• Teste mecânico

Os materiais fundidos não devem ser empregados para a fabricação de Vasos de pressão.
No entanto, os fundidos são muito empregados na fabricação de válvulas industriais e válvulas de controle.
Nos componentes de material fundido, se deve levar em conta o “fator de qualidade”, que corresponde ao nível de inspeção empregado na avaliação do material fundido.
Quando da utilização de material fundido para a fabricação de algum componente, a espessura deve ser corrigida com o “fator de qualidade de fundido”, correspondente ao nível de inspeção empregado, conforme a tabela a seguir.

Fator de qualidade do fundido (ASME B31.3 /ASME Sec VIII Div 1)

Fator 0,80:
Inspeção visual MSS SP-55
Fator 0,85:
Inspeção visual MSS SP-55 e todas as superfícies usinadas com acabamento de 6,3 µm Ra (250 µin Ra) conforme ASME B46.1
Exame de todas as superfícies com PT (ASTM A165).
Critério de aceitação das trincas e reparos de solda conforme MSS SP-53 Table 1, e ASTM E125 para as trincas de superfície.
Fator 0,95:
Exame de todas as superfícies com100% UT (ASTM E114).
Critério de aceitação é não haver defeitos com profundidade acima de 5% da espessura.
Exame de todas as superfícies com 100% RT (ASTM E94).
Critério de aceitação conforme Table 302.3.3D.
Fator 1,0:
Inspeção visual MSS SP-55 e exame de todas as superfícies com UT (ASTM E114).
Critério de aceitação é não haver defeitos com profundidade acima de 5% da espessura.
Ou Inspeção visual MSS SP-55 e exame de todas as superfícies com 100% RT (ASTM E94).
Critério conforme níveis de aceitação da Table 302.3.3D. 1,0 Inspeção e exame do fundido conforme Appendix F Examination of steel castings