Processos de Fabricação: Fundição e Conformação de Metais

Fundição: Processos e Aplicações

A fundição é um processo de fabricação de peças que consiste essencialmente em preencher com metal líquido a cavidade de um molde com formato e medidas correspondentes aos da peça a ser fabricada.

Terminologia Essencial da Fundição

• Tolerância Dimensional: Faixa dentro da qual a medida de uma peça pode variar.
• Vantagens:
  • Permite a produção de formas externas e internas simples e complicadas, com formatos impossíveis por outros processos.
  • Produção de peças pesadas e leves, com espessuras de milímetros.
  • Alto grau de automatização, permitindo produção rápida e em série.
• Modelo: Serve para a construção do molde. Pode ser feito de madeira, alumínio ou aço.
• Molde: Onde o metal fundido é colocado para obter a peça desejada. Geralmente feito de material refratário, como areia e aglomerado.
• Macho: Utilizado para formar vazios ou furos na peça. São colocados nos moldes antes que sejam fechados para receber o líquido. Geralmente feitos de areia.
• Fusão: Processo de derretimento do metal.
• Vazamento: Processo de enchimento do molde com metal líquido.
• Desmoldagem: Processo de retirada da peça do molde.
• Rebarbação: Processo de retirada dos canais de alimentação, massalotes e rebarbas.
• Limpeza: Remoção de incrustações de areia, geralmente por jatos abrasivos.

Defeitos Comuns na Fundição

Os defeitos podem incluir: porosidade, oriunda da eliminação de gases, que causa fragilidade; e defeitos na composição da liga, como o aparecimento de partículas duras que causam desgaste da ferramenta de usinagem.

Tipos de Moldes e Processos de Fundição

Os processos de fundição podem ser divididos em dois grupos principais: moldes em areia e moldes metálicos.

Moldes em Areia Verde

São feitos de uma mistura de areia (base sílica, cromita ou zirconita), argila e água. A mistura é compactada sobre um modelo montado em uma caixa de moldar. O molde deve ter resistência suficiente para suportar a pressão do metal líquido, a ação erosiva do metal e refratariedade que permita suportar altas temperaturas.

• Vantagens: É um processo barato e oferece boa estabilidade dimensional.
• Desvantagens: O acabamento da superfície piora em peças de maior peso, e a estabilidade dimensional é menor em peças de maior tamanho.

Moldes com Resinas (Shell Molding e Cura a Frio)

Nesses moldes, o uso de resinas dispensa a compactação da areia, pois o aglomerante funciona como cola, mantendo os grãos de areia unidos.

• Processo a Quente (Shell Molding): Os modelos são feitos de metal para resistir ao calor e ao desgaste. Oferece bom acabamento para a superfície da peça e alta estabilidade dimensional, mas possui alto custo.
• Processo a Frio (Cura a Frio): Produz moldes mais rígidos para a fabricação de peças grandes e de formatos complicados. Também apresenta alto custo.

Fundição de Precisão

Processo para produtos fundidos de no máximo 5 kg, com formato complexo, melhor acabamento de superfície e tolerâncias mais estreitas em suas medidas. É comum para ligas de alumínio, níquel e cobre (ex: motores de avião).

O molde é feito de uma lama refratária de silício ou zirconita. Essa lama endurece em contato com o ar, e é nela que o modelo de cera ou plástico é mergulhado. Após o endurecimento, o molde é aquecido, o modelo derrete e é destruído. Essa casca endurecida é o molde onde o metal líquido é vazado. Assim que a peça se solidifica, o molde é destruído. Este processo é conhecido como fundição por moldagem em cera perdida.

• Vantagens: Produção em massa de peças com formatos complicados, maior precisão dimensional e superfície de melhor acabamento.
• Desvantagens: Dimensões e peso limitados devido ao custo elevado e à capacidade dos equipamentos disponíveis.

Molde Permanente

Utiliza moldes metálicos, empregados em fundição por gravidade ou pressão. Não é necessário produzir um novo molde a cada peça que vai se fundir, com vida útil de até 100 mil peças. É restrita a materiais de fusão mais baixa que o ferro e o aço, como ligas com chumbo, zinco e alumínio. Os moldes são feitos de aço e ferro fundido ligado, resistentes ao calor e às repetidas mudanças de temperatura (ex: cabeçotes, bielas, pistões). Oferece maior uniformidade, melhor acabamento de superfície e melhores propriedades mecânicas. Limitado a peças pequenas e produção em grandes quantidades.

Fundição Sob Pressão

Processo que força o metal líquido a penetrar na cavidade do molde, chamado matriz. Utiliza máquinas automatizadas.

• Câmara Quente: A pressão exercida pelo pistão faz com que todas as cavidades da matriz sejam preenchidas, formando a peça.
• Câmara Fria: O princípio é o mesmo, mas o forno que contém o líquido é independente e não fica dentro do banho de metal.

• Vantagens: Alta capacidade de produção e durabilidade das matrizes.
• Desvantagens: Limitação no peso das peças, alto custo do equipamento e dos acessórios.

Conformação Mecânica de Metais

A conformação é qualquer operação durante a qual se aplicam esforços mecânicos em metais que resultam em mudança permanente em suas dimensões.

Propriedades Relevantes

• Elasticidade: Capacidade de um material se deformar após um esforço e voltar à forma anterior.
• Plasticidade: Permite que o material se deforme e mantenha essa deformação se for submetido a um esforço de intensidade maior e mais prolongada.

O reticulado cristalino está associado ao modo como os átomos dos metais estão agrupados.

A estrutura CFC (Cúbica de Face Centrada) tem uma forma de agrupamento atômico que permite o deslocamento de camadas de átomos sobre outras camadas. Os planos de escorregamento permitem que as camadas escorreguem umas sobre as outras com mais facilidade (ex: cobre e alumínio), por isso são mais fáceis de serem conformados.

Laminação

Processo de conformação mecânica pelo qual um lingote de metal é forçado a passar por entre dois cilindros que giram em sentidos opostos com a mesma velocidade. O material sofre deformação plástica, resultando em redução de espessura e aumento da largura.

• Laminação a Quente: Utilizada quando o material é difícil de laminar.
• Laminação a Frio: Permite grandes reduções de espessura (ex: cobre, alumínio).

Defeitos Comuns na Laminação

• Inclusão: Partículas resultantes da combinação de elementos na composição química.
• Vazio: Origem no rechupe.
• Segregação: Elementos concentrados nas partes mais quentes dos lingotes.
• Trinca: Aparecem no lingote ou durante as operações de redução.
• Gota Fria: Respingo de metal que se solidifica na parede da lingoteira.
• Dobra: Excesso de massa metálica.

Passo a Passo da Laminação

1. O lingote é pré-aquecido e passa pelo laminador de desbaste, transformando-se em placa.
2. A placa é reaquecida e passa por um laminador que também usa um jato de água de alta pressão.
3. Por transporte de roletes, é levada a outro laminador onde diminui a espessura e aumenta a largura. Na saída, ocorre o achatamento de bordas e o corte com tesoura quente.
4. É encaminhada a laminadores acabadores, sofrendo redução para atingir a espessura desejada.
5. Finalmente, é enrolada em bobina.

Extrusão

Processo que força a passagem de um bloco de metal através do orifício de uma matriz, aplicando altas pressões ao material com um êmbolo. É utilizada para metais dúcteis, como cobre e suas ligas, e também aço ao carbono e inoxidável (também utilizada para plásticos e embalagens).

Extrusão a Quente

1. Fabricação do lingote ou tarugo de seção circular.
2. Aquecimento uniforme.
3. Transporte para a câmara de extrusão rapidamente para não oxidar a superfície.
4. Execução da extrusão: o pistão é acionado e empurra o material para o interior da câmara.
5. Ao final, retirada do disco e do restante do material.
6. Remoção de resíduos.

A temperatura deve ser a mínima necessária para fornecer ao metal o grau de plasticidade adequado.

Extrusão a Frio

O material endurece por encruamento durante a deformação porque os grãos de metal se quebram, aumentando sua dureza.

Tipos de Extrusão

• Extrusão Direta: O material é colocado em uma câmara ou cilindro e empurrado contra uma matriz através de um pistão acionado por meios mecânicos ou hidráulicos.
• Extrusão Indireta: O êmbolo é oco e está ligado à matriz. A extremidade oposta da câmara é fechada por uma placa. O êmbolo oco empurra a matriz de encontro ao metal, e este sai da matriz em sentido contrário ao movimento da haste.

Defeitos Comuns na Extrusão

• Deformação não uniforme: Formação de uma cavidade pela diferença de velocidade entre o núcleo do tarugo e a periferia. Para evitar, deve-se descartar a porção final do tarugo.
• Anel de óxido: Evitar extrudar o tarugo até o fim.
• Arrancamento: Perda de material quando passa rapidamente pela matriz. Para evitar, diminuir a velocidade e temperatura.
• Bolhas: Eliminar gases durante a fundição do lingote.

Trefilação

Processo onde o material é puxado, passando por uma matriz para ter o seu diâmetro diminuído e sua seção transversal reduzida. Normalmente é realizado a frio (ex: fios elétricos de cobre ou alumínio).

Etapas do Processo de Trefilação

1. Laminação e Usinagem: Para a produção do fio-máquina.
2. Decapagem: Mecânica ou química, que retira os óxidos presentes.
3. Trefilação: O processo principal de redução de diâmetro.
4. Tratamento Térmico de Recozimento: Quando é necessário restabelecer a ductilidade do material.

Defeitos Comuns na Trefilação

• Fratura com Trinca: Aberta em duas partes, causada por trinca de laminação.
• Diâmetro Escalonado: Causado por partículas retidas nas fieiras que se desprendem depois.