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A fundição em coquilha é um método que utiliza o molde metálico, como pode ser ilustrado na fotografia 1, onde é mostrado o vazamento do metal líquido em um molde tipo coquilha. A fundição em coquilha é um processo de alta produção, onde se obtém um excelente acabamento, executado através de molde permanente geralmente confeccionado em cobre, ferro e aço. Este processo é utilizado para peças de pequeno e médio porte fundidas em zamak, alumínio, latão e chumbo. A fundição em coquilha é aplicada nos segmentos de: metais sanitários, automobilística, telecomunicações. Não deve ser utilizado em peças grandes ou com grande variação de espessura, pois o molde metálico apresenta um resfriamento rápido, conduzindo a uma não uniformidade e causando defeitos em peças de geometria mais complexas.
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Fotografia 1: Vazamento do metal líquido em molde tipo coquilha Fonte: Fundição Alvorada (2008).
Outro processo utilizado para alta produção onde se obtém um ótimo acabamento é a fundição em casca, também conhecida como “Shell Molding”. Executado através de modelos confeccionados em ferro e alumínio, o qual é aquecido e sobre este modelo é colocado areia e resina. O material reage com o calor e se polimeriza, formando uma casca de pequena espessura que possa resistir ao material fundido conforme ilustrado na fotografia 2. Este tipo de processo é utilizado para peças de pequeno e médio porte, fundidas em qualquer liga de metais não ferrosos, sendo um método onde conseguimos obter peças com tolerâncias dimensionais mais apertadas. O volume de areia utilizado para a moldação é menor, porém não é possível a reciclagem da mesma. Aplicados nos segmentos de: conexões, elétricos e ferroviários, etc.
Fotografia 2: Molde utilizado no processo de fundição em casca ou “Shell Molding”. Fonte: Fundição Alvorada (2008).
Os processos de CO2 e resina são utilizados para baixa produção, onde se
obtém um excelente acabamento. Executado através de modelos confeccionados em madeira, resina e isopor. Utilizado para peças de quaisquer proporções e peso fundidas em qualquer liga de metais não ferrosos. Aplicados nos segmentos de: buchas, naval, rotomoldagem, vacuum forming, etc. No processo por CO2 são feitos moldes de areia aglomeradas com
silicato de sódio que depois de compactados são submetidos a um tratamento com CO2. Nos
moldes de areia são feitos alguns furos e adicionado CO2na forma de gás. Na passagem desta
corrente de gás por sua secção ocorre uma reação entre o CO2 e o silicato de sódio, formando
sílica gel, carbonato de sódio e água, resultando num endurecimento imediato do molde, como ilustrado na fotografia 3. Para melhorar ainda mais a resistência podem ser aplicadas tintas especiais cobrindo o molde com posterior cura com fogo. O processo por resina também é utilizado para melhorar a resistência do molde e o acabamento superficial da peça, como podemos observar na fotografia 4 que mostra o misturador onde a areia é dosada com a resina para ser utilizada na moldagem.
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Fotografia 3: Molde em areia e silicato de sódio com injeção de CO2
Fonte: Fundição Alvorada (2008).
Fotografia 4: Equipamento para mistura de areia e resina utilizadas para moldagem Fonte: Fundição Alvorada (2008).
O processo de fundição sob pressão ou por injeção, conhecido com “Die Casting”, é utilizado somente para alta produção devido à sua alta capacidade de produção e alto custo do equipamento. É possível obter peças de alta complexidade, com espessuras finas e excelente acabamento superficial e alta precisão dimensional. O metal líquido fundido, sob pressão é forçado por um pistão hidráulico ou pneumático a entrar na cavidade esculpida de um molde, o metal expulsa o ar lá contido, por orifícios pré determinados, e preenche todos os espaços do molde. Geralmente na fundição das ligas de alumínio são utilizadas injetoras de
câmara fria, como a mostrada na fotografia 5. Neste processo o cilindro e o pistão não são colocados diretamente no banho do metal líquido. O contato entre o metal líquido e a câmara somente se dá no momento do vazamento. A vantagem deste processo é que o forno tende a se deteriorar mais rápido do que o restante da máquina e, por estar em separado da mesma, pode ser substituído sem que a máquina necessite ficar parada para isso, bastando trocar o forno.
Fotografia 5: Injetora de capacidade de 400 t, de câmara fria Fonte: Fundição Alvorada (2008).
A moldagem por areia verde, um dos mais utilizados, mostrado de forma geral na fotografia 6, é um processo de baixo custo, onde se obtém um bom acabamento. Executado através de modelos confeccionados em alumínio e madeira, podendo ser moldado por máquinas de compactação ou manualmente. Utilizado para peças de diversas dimensões e peso fundidas em qualquer liga de metais não ferrosos. Aplicados nos segmentos de: máquinas e equipamentos, autopeças, transporte e iluminação, etc.
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Fotografia 6: Vista geral do processo de moldagem para fundição em areia verde Fonte: Fundição Alvorada (2008).
Com moldes de areia podem ainda se obter peças metálicas, utilizando se do processo de fundição por evaporação do modelo, conhecido como espuma perdida ou lost foam. Este método consiste em construir um molde de areia sobre um modelo de poliestireno expandido (isopor). O vazamento do metal líquido superaquecido consome e ocupa o lugar do modelo. Esse procedimento garante ao mesmo tempo uma peça bruta de fundição muito próxima da sua forma definitiva, uma precisão dimensional importante e a realização de corpo oco de geometria particularmente complexa.
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Os principais fornos utilizados na fundição são os fornos a indução e fornos a gás.
FORNO A INDUÇÃO: funciona com energia elétrica, possui um princípio de funcionamento de indução eletromagnética, ou seja, quanto maior a potência maior será a agitação do banho, facilitando a fusão do alumínio e componentes de liga.
FORNO A GÁS: também é muito utilizado na indústria, possui um princípio de funcionamento a base de gás natural, atingindo altas temperaturas para fusão do
alumínio e de seus componentes de liga, ao contrário dos fornos a indução, não possui agitação.
Em algumas fábricas o alumínio é fundido primeiro em um forno (forno de fusão) e transferido para um segundo forno (forno de espera) para os ajustes de composição, tratamento (fluxação) e controle adequado da temperatura antes do vazamento. As indústrias de alumínio primário, em geral, possuem fornos de fusão/espera onde o metal das cubas é transferido para o forno juntamente com a sucata de metal do processo. Os fornos atuais são do tipo basculante para propiciar bom controle de temperatura e vazão do metal para os equipamentos de vazamento e permitir rápido e completo escoamento. Na indústria de alumínio secundário são usados fornos rotativos para fundir a sucata, material leve e borra. Nestes fornos o metal é recuperado na parte inferior de uma camada líquida de sal protetora a qual também serve para separar os óxidos do metal líquido (ABAL, 2008).
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Os processos de fundição envolvem o vazamento de ligas metálicas em moldes resistentes à temperaturas acima das temperaturas de fusão dos metais. Os moldes metálicos não resistem ao desgaste erosivo ao longo do tempo e à fadiga térmica originada pelas altas temperaturas de vazamento dos fundidos, principalmente em ligas ferrosas. Devido a este fato, a maioria das peças é vazada em moldes obtidos por compactação de uma mistura de areia com aglomerantes, aditivos e certa percentagem de umidade, designada por molde em “areia verde” (FERREIRA, 1999).
Na fundição em areia, o molde é formado por areia misturada com agentes ligantes e socada ao redor de um modelo. Então, o modelo é removido, deixando uma cavidade no formato do fundido a ser feito. Se o fundido tem cavidades internas, peças de areia socada (“machos”) fabricadas a parte são usadas para fazê las. O metal líquido é vazado no interior do molde e após a solidificação, o molde é quebrado para remover o fundido. Na fabricação de moldes e “machos” vários agentes podem ser usados como ligante da areia. O agente mais freqüentemente usado é uma mistura de argila e água. A areia ligada com argila e água é chamada de areia verde. A areia ligada com óleos ou resinas, que é mais resistente do que a areia verde, é comumente usada para “machos” (ASM, 1997).
A leveza (baixa densidade) das ligas de alumínio permite trabalhar com baixas pressões e também possibilita fazer um socamento de areia mais leve. Por outro lado, a
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dificuldade que as ligas de alumínio apresentam para se libertar dos óxidos e expelir os gases do molde constituem se em desvantagens, que exigem cuidados especiais. Sendo assim, é muito importante maximizar a permeabilidade do molde, permitindo o deslocamento do ar e dos outros gases à medida que o metal líquido penetra na cavidade. Outra desvantagem na fundição de ligas de alumínio é sua fragilidade a quente. Como a resistência mecânica das ligas de alumínio durante a solidificação é muito baixa, qualquer obstáculo que signifique maior resistência à contração resulta no surgimento de trincas. Outra característica importante das ligas de alumínio é a elevada contração de solidificação que exige uma compensação, pois varia de 0,9 a 1,3 %. A areia utilizada na fundição das ligas de alumínio pode ser natural ou sintética. Para que a areia de fundição seja lisa o suficiente é necessário que o teor de argila seja razoavelmente elevado. No caso da areia natural o teor de argila deve estar entre 10 e 25 %, enquanto na areia sintética o teor de argila deve ser da ordem de 3 a 10 % (PIO et al, 2005).
As areias mais utilizadas em fundição são as de sílica produzidas pela decomposição do granito. Outras areias, como as de Zircônia e as de Olivina, também podem ser utilizadas. Contudo, as areias devem apresentar, dentro do possível, as seguintes características e propriedades básicas:
Estabilidade térmica e dimensional a elevadas temperaturas; Distribuição de forma e tamanho de partículas adequado; Não apresentar reatividade química com o metal fundido; Estar livres de substâncias de baixo ponto de fusão
Estar livres de produtos que gerem gases às altas temperaturas envolvidas; Estarem disponíveis a baixo custo;
Apresentarem uma composição química uniforme;
Terem compatibilidade com os aglomerantes (FERREIRA, 1999).
Para a preparação da areia para moldagem em areia a verde são utilizados aglomerantes, que vão envolver os grãos de areia, que pode ser:
Aglutinantes: argila, bentonita e mogul; Químicos: resinas e silicatos.
A composição da areia de molde: Areia nova, limpa e seca; Areia usada, limpa e seca; 4 à 6% de argila;
0,8 à 1,5% de bentonita; 1 à 2% de mogul; 3 a 4% de água.
O acabamento superficial das peças vazadas em moldes de areia é função do tamanho dos grãos e da sua distribuição. Contudo, os fatores que aumentam a permeabilidade diminuem o acabamento superficial e vice versa. Os grãos finos melhoram a qualidade da superfície da peças vazadas. Outros fatores influem no acabamento de superfícies tais como a refratariedade e as condições de vazamento nomeadamente a temperatura e a velocidade de vazamento. Uma temperatura de sobreaquecimento elevada e uma velocidade de vazamento elevada podem provocar a penetração metálica entre os grãos de areia, diminuindo o acabamento superficial das peças vazadas. Na prática utilizam se “areias de contato” de grão fino para diminuir a rugosidade superficial e uma “areia de enchimento” de grão mais grosso na estrutura da massa do molde para melhorar a permeabilidade, a qual pode vir da reciclagem das areias de moldes após o seu uso (FERREIRA, 1999).
2.6 METALURGIA DA FUNDIÇÃO
Durante a transformação “liquidus solidus” pela qual passa o metal ocorrem vários fenômenos que se não forem devidamente controlados podem comprometer o desempenho do produto final, dando origem a vários tipos de heterogeneidades. Além das heterogeneidades físicas geralmente originadas pela contração do metal fundido durante a solidificação e a fase de arrefecimento com diminuição do volume específico da peça (rechupes, fendas de contração, porosidade e outros tipos de defeitos), podem surgir heterogeneidades químicas (segregação de impurezas ou de elementos de liga em escala microscópica ou macroscópica) e heterogeneidades estruturais (tipo, distribuição, tamanho e orientação dos grãos cristalinos).
Os tratamentos do metal líquido constituem se em ponto fundamental da tecnologia de fundição já que nesta etapa são estabelecidas as condições metalúrgicas do banho que determinarão as microestruturas brutas de fundição e, conseqüentemente, as propriedades mecânicas das peças. É de suma importância a análise química de todas as cargas fundidas, pois a variação fora dos limites mínimos e máximos estabelecidos por normas e clientes influi muito nas propriedades mecânicas exigidas para determinadas peças.
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2.7 TRATAMENTOS DAS LIGAS DE ALUMÍNIO LÍQUIDO
Normalmente as ligas de alumínio formam, durante a solidificação, grãos grandes colunares e equiaxiais. O grau de crescimento dos grãos equiaxiais e o comprimento dos grãos colunares dependem da temperatura de vazamento do metal e do gradiente térmico estabelecido dentro do molde. Esta microestrutura de grãos grosseiros resulta numa redução das propriedades mecânicas do material. Ainda que o tamanho de grão possa ser reduzido de certa forma com baixas temperaturas de vazamento, a prática mais eficiente de controlar o tamanho e a morfologia do grão é a de introduzir elementos refinadores e modificadores instantes antes do vazamento. Na micrografia 1 são mostradas microestruturas da seção transversal de lingotes fundidos com e sem adição de modificadores e refinadores de grão (FOSECO, 2006).
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Micrografia 1: Microestrutura de grãos da seção transversal de dois lingotes de liga de