A fase de projeto é o ponto de partida para todas as produções industriais, incluindo a produção de peças fundidas. A qualidade e precisão dos produtos fundidos é o objetivo fundamental, para o qual é necessária uma estreita colaboração técnica entre o engenheiro de projeto e o fundidor. As decisões iniciais do projetista têm de permitir a seleção dos materiais a serem especificados utilizando sempre que possíveis normas internacionais.
Em primeiro lugar escolhem-se os materiais, para fabricação do componente fundido, função das suas propriedades mecânicas e da sua aptidão para suportar as condições ambientais durante o funcionamento.
Em segundo lugar, a forma funcional do componente fundido deverá ser determinada de modo a que ele possa atingir os seus objetivos funcionais tendo também em atenção os aspectos relativos a uma fácil manutenção e à sua forma estética. Assim, atendendo à
necessidade de proceder a uma boa e econômica utilização dos materiais, às dificuldades de posteriores operações de acabamento e maquinagem, às características tecnológicas, físicas e mecânicas dos materiais e também à economia de execução simplificando modelos e machos, o projetista deverá considerar algumas regras que serão mostradas as seguir. [30]
A) Projeto e destino da peça.
O problema fundamental do engenheiro de projeto para fundição é o de traçar peças realizáveis pelos processos tecnológicos, em especial o de fundição, tão economicamente quanto possível e respondendo em boas condições ao fim a que se destinam. Deve-se ter em consideração, se a peça é unitária ou faz parte de uma série a ser produzida.
Deve também verificar se a peça vai servir de elemento de suporte ou de ligação, ou se, por exemplo, vai trabalhar com atrito. Assim o projetista deverá tirar o melhor partido do material escolhido e conhecer perfeitamente as propriedades mecânicas, físicas e tecnológicas bem como o comportamento dos materiais. [30]
B) Resistência aos esforços mecânicos
As peças de fundição têm inúmeras propriedades mecânicas que bem justificam seu enorme campo de utilização. As propriedades mecânicas mais comuns são:
- A capacidade de amortecimento, devido às forças de atrito interno, quando submetidas a esforços de intensidade variável.
- O bom comportamento aos esforços de compressão; - A resistência mecânica ao efeito de entalhe;
- A rigidez estrutural.
Contudo a resistência ao impacto e a tenacidade das peças de fundição são, por vezes, muito limitadas, portanto as qualidades de utilização dos produtos vazados dependem da forma geométrica da peça. As Tabelas 3 e 4 apresentam as principais propriedades mecânicas dos ferros fundidos nodulares e cinzentos.
As peças fundidas podem ser projetadas como um conjunto de linhas com posições relativas condicionadas pela direção vetorial dos esforços que venham a suportar. Assim cada força segue a linha de eixo de um sólido elementar cuja seção deverá suportar uma tensão inferior à resistência limite do material. Será, pois necessário garantir uma repartição razoável dos esforços mecânicos para se conseguir a segurança de funcionamento da peça em serviço.
Tabela 3 – Propriedades mecânicas de ferros fundidos nodulares.
Fonte: [32].
Tabela 4 – Propriedades mecânicas de ferros fundidos cinzentos.
Fonte: [32].
Uma das características das peças fundidas é a sua resistência à compressão, consideravelmente superior à resistência à tração, à flexão e à torção. A regra básica a ser
seguida é de afastar, o mais possível, o material da fibra neutra (lugar geométrico dos pontos de tensão nula), no caso de peças destinadas a suportar esforços de tração. [30]
A Figura 55 apresenta um suporte recebendo uma carga “P” com duas situações diferentes. Na situação incorreta o suporte recebe na totalidade uma carga de tração e com algumas modificações de projeto, o suporte passa a ter cargas de compressão, tornando-se melhorado.
Figura 55 – Melhoria de projeto.
Fonte: [30].
As seções das peças que trabalham sob flexão devem ser semelhantes às formas assimétricas (Figura 56). Com estes perfis os elementos fletidos são solicitados uniformemente em toda a sua seção, o que permite uma redução de peso em relação às formas simétricas. O perfil triangular fechado de cantos arredondados oferece também, uma melhor resistência à torção, embora possa ser mais difícil de realizar por fundição, obrigando à utilização de machos.
Figura 56 – traçado assimétrico de peças de ferro fundido.
Entende-se por efeito de entalhe a concentração de tensões que se observa sempre que há uma variação brusca de seção. Há então a necessidade de evitar ângulos vivos nas mudanças de seção sem, contudo cair no excesso contrário de criar pontos quentes. Na Figura 57 pode-se verificar a variação de espessura da parede na vizinhança de uma furação roscada. [30]
Figura 57 – Espessura a deixar em torno de um furo roscado.
Fonte: [30].
C) Espessura mínima em peças fundidas
O problema da espessura mínima a atribuir às seções das peças está associado à vazabilidade das ligas metálicas. Quanto menor forem as espessuras atribuídas, maiores serão as dificuldades de enchimento das peças antes da fase de solidificação. Pode definir-se uma espessura crítica como sendo uma espessura abaixo da qual não é possível garantir o enchimento das cavidades da moldação com essas dimensões mínimas. [30]
D) Traçado da peça e sobremetal
As espessuras mínimas foram consideradas, contudo essas espessuras podem ser alteradas para mais, sendo conveniente faze-lo com cuidado e prudência e de acordo com o fundidor. Os valores máximos de sobremetal para usinagem resultam da aplicação de tolerâncias dimensionais determinadas. Além destas considerações há, sobretudo que atender a certas incertezas do traçado da peça. As cotas determinadas pelos projetistas, são obtidas na
fundição com um certo grau de aproximação, pois existem diferentes fatores suscetíveis de provocar desvios tais como:
- Desgaste do modelo;
- Imperfeições das ferramentas; - Deslocamento dos machos; - Irregularidade das contrações.
E) Contração de volume
Os metais, ao solidificarem, sofrem uma contração. A contração dá origem a uma heterogeneidade conhecida por vazio ou rechupe. Inicialmente, tem-se (a) o metal inteiramente no estado líquido; (b) a solidificação tem início na periferia, onde a temperatura é mais baixa e caminha em direção ao centro; (c) fim da solidificação e (d) contração sólida. (Figura 58). [33]
Figura 58 – Fenômeno da contração, em (a) metal líquido, em (b) início da solidificação, em (c) solidificação e em (d) contração.
Fonte: [33].
A diferença entre os volumes no estado líquido e no estado sólido final dá como consequência o vazio ou rechupe que possam eventualmente ficar localizados na parte interna das peças, próximos da superfície, porém, invisíveis externamente. Além dessa consequência a contração verificada na solidificação pode ocasionar o aparecimento de trincas a quente e provocar tensões residuais. As tensões residuais podem ser controladas por um adequado projeto da peça (Figura 59) e podem ser eliminadas pelo tratamento térmico de "alívio de tensões". Os vazios ou rechupes que constituem a consequência direta da contração podem também ser controlados ou eliminados, mediante recursos adequados, seja no caso de lingoteiras, seja no caso de moldes para peças fundidas.
Figura 59 – Defeitos de contração e modos de corrigi-los.
Fonte: [33].
No caso da fundição de um lingote, o artifício adotado para controlar o vazio é colocar sobre o topo da lingoteira uma peça postiça de material refratário, denominada massalote, essa peça, por ser de material refratário, retém o calor por um tempo mais longo e corresponderá à seção que solidifica por último, nela, portanto, vai se concentrar o vazio. [33]
F) Defeitos de fundição
Alguns defeitos comuns das peças fundidas são:
- Inclusão da areia do molde nas paredes internas ou externas da peça. Isso causa problemas de usinagem: os grãos de areia são abrasivos e, por isso, estragam a ferramenta. Além disso, causam defeitos na superfície da peça usinada.
- Defeitos de composição da liga metálica que causam o aparecimento de partículas duras indesejáveis no material. Isso também causa desgaste da ferramenta de usinagem.
- Rechupe, ou seja, falta de material devido ao processo de solidificação causado por projeto de massalote mal feito (Figura 60).
- Porosidade, ou seja, a existência de "buraquinhos" dentro de peça. Eles se originam quando os gases que existem dentro do metal líquido não são eliminados durante o processo de vazamento e solidificação. Isso causa fragilidade e defeitos superficiais na peça usinada. [33]
Figura 60 – Aspecto típico de porosidade de rechupe.
Fonte: [33].