A base do processo de fundição é a obtenção de peças metálicas a partir da fusão de peças metálicas e do vazamento das mesmas em um molde. O processo de fundição pode ser realizado por gravidade, pressão, centrifugação ou vácuo.
As etapas principais do processo podem ser visualizadas no fluxograma abaixo proposto por OLIVEIRA (1998) (Fig. 4).
Modelação
Macharia
Seleção das caixas Seleção das areias
Moldagem mecanizada Moldagem manual Preparação para fusão Fusão Vazamento Desmoldagem Rebarbação e Limpeza Expedição
Figura 4. Fluxograma do processo de fundição. Fonte: (OLIVEIRA, 1998).
Tais etapas podem assim ser descritas da seguinte maneira (adaptado de CASOTTI et al., 2011):
- Fabricação do modelo da peça: O primeiro passo para a obtenção do fundido é a confecção de um modelo com o formato da peça final. O modelo pode ser confeccionado em madeira, metal,
de modelos pode ser realizada a partir da utilização de softwares e com o auxilio de lasers, evitando assim desperdícios e testes na linha de produção. Exemplos de tecnologias automatizadas para a fabricação de modelos podem ser encontrados em RODRÍGUEZ et al. (2012)
- Confecção do molde. O molde é o dispositivo no qual o metal fundido é despejado e cuja cavidade tem formato similar ao da peça final. Feito em material refratário, o molde deve ser capaz de resistir às altas temperaturas dos metais líquidos.
- Confecção dos machos: Os machos são colocados nos moldes antes que estes sejam fechados para receber o metal líquido. Diferentemente do molde, que é uma peça em areia que delimita as partes externas da peça fundida, o macho é uma peça em areia que delimita as partes internas (vazios). Durante o vazamento, o macho fica completamente envolto em metal líquido.
- Fusão. Nessa fase, o metal é fundido em um forno, que pode ser de indução, cubilô ou outro.
- Vazamento. O metal líquido é transferido do forno para a panela de vazamento, que despejará o metal no molde através de um canal de descida.
- Rebarbação e limpeza: Remoção do metal excedente na superfície da peça. Essa remoção pode ser feita com corte por disco abrasivo ou por fusão localizada. Após a remoção, essas áreas precisam de acabamento superficial. É necessária a retirada de incrustações de areia do molde na peça fundida. Essa limpeza é feita, em geral, com jatos abrasivos.
A figura 7 ilustra algumas das partes de um molde de areia citadas.
Figura 5. Partes de um molde em areia. Fonte: (MARTINS e ALMEIDA, 2001)
Estas etapas são empregadas em diferentes processos, os quais nada mais são do que uma variação destas etapas com algumas particularidades. Dentre os processos mais conhecidos estão: moldagem em areia verde (Green sand mold), areia silicato/CO2, caixa à frio (Cold-
box), Pep Set, cura à frio (no-bake), moldagem em casca (Shell), caixa à quente (Hot-box ou Warm-box), Cera perdida (ou Microfusão) e Molde permanente – (Coquilha e fundição sob pressão).
Estes processos podem ser utilizados individualmente ou em combinação. Sendo os principais resíduos gerados: finos de rebarbação, pedaços de machos, areia de moldagem, escória e resíduos de rebarbação e limpeza. A seguir, são descritos alguns destes processos utilizados:
- Moldagem em areia verde
Virtualmente, todos os moldes de areia usados em fundições de ferro são do tipo areias verdes (SIDDIQUE et al., 2010). Correspondendo 90% volume de fundidos nos Estados Unidos (FHWA, 2004) e 80% no Brasil (BONET et al., 2003). E por ser o mais abundante, será o foco deste trabalho, todas as amostras estudadas foram provenientes do sistema em areia verde.
É o processo mais rápido, econômico e convencional utilizado, onde o ligante é a argila bentonita umedecida. Entretanto, a moldagem em areia verde possui uma limitação quanto a peças mais complexas e que exigem um acabamento superficial de melhor qualidade. Nestes casos, as fundições adotam outros sistemas de moldagem (CILLA; MORELLI, 2011).
- Cold box
Considerado um processo de caixa fria, o Cold Box é caracterizado pela utilização de 2 partes de resinas, conhecidas como resina parte 1 e parte 2. Este processo elimina a necessidade de cura por calor que pode ser cara e inconveniente. O ciclo de cura é relativamente rápido e pode ser completado em segundos. O processo é adequado tantopara a moldagem quanto para a macharia. Uma vantagem deste processo é a possibilidade de regeneração da areia que pode ser atingida em taxas de até 99%.
- Pep Set
É um processo de cura à frio, cuja composição é similar ao processo de Cold Box, é elaborado com duas partes de resina (parte 1 e parte 2). Um catalisador líquido é adicionado a uma das partes de resina
proporcionando um processo de cura mais lento, o que possibilita um melhor manuseio na moldagem. O processo de Pep Set tem como característica o baixo odor e a boa fluidez da areia.
- Em casca (Shell)
A confecção de um macho através do processo de Shell Molding proporciona maior precisão das peças, com tolerâncias dimensionais mais apertadas e maior rigor da forma, com menor rugosidade superficial, maior rapidez na fabricação e maior facilidade de liberação dos gases que o processo em areia verde. Porém este é um processo limitado à execução de peças pequenas e médias. A cura mais utilizada é a quente. As resinas mais empregadas são poliéster, ureia formaldeído ou fenol formaldeído.
Uma vantagem de se fabricar machos através deste processo é que, por receber uma cobertura de resina, a areia resultante do processo pode ser totalmente recicladae aplicada em outras utilizações, após ser passada por um tratamento de calcinação.
-Cera perdida ou Microfusão
No processo de cera perdida ou microfusão, os modelos são produzidos em cera, por meio do vazamento de cera líquida em uma matriz metálica (aço ou alumínio). Os moldes são compostos de uma lama refratária especial (feita com sílica ou zircônia, misturada a aglomerante e outros componentes), que, após o endurecimento, fica com aparência similar à da cerâmica.
O metal líquido é vazado dentro da casca em cerâmica. Após a solidificação da peça em metal no interior do molde, este é quebrado,
apresenta um ótimo acabamento superficial e facilidade de liberação dos gases pelo molde, além de permitir a produção de peças com desenhos complexos. Como desvantagens, destacam-se o custo elevado de fabricação e a limitação do tamanho das peças que podem ser produzidas.
Como o processo de fundição por cera perdida permite excelente acabamento superficial e caracteriza-se pela estreita tolerância dimensional das peças, também é conhecido como processo de fundição de precisão. Tais fundidos têm alto valor agregado e são utilizados pela indústria aeroespacial, de geração de energia, nuclear, médica e automotiva.
- Molde permanente – fundição por gravidade (coquilha) Os moldes metálicos (também denominados coquilhas) são feitos, geralmente, em aço ou ferro fundido e são usados cerca de 100 mil vezes ao longo de sua vida útil. Como o custo do molde é elevado, o processo é mais adequado para a produção em escalas elevadas. A fundição em moldes metálicos está restrita a fundidos de metais cuja temperatura de fusão é mais baixa do que a do aço ou ferro fundido. Costuma ser usada para a produção de peças em ligas de chumbo, zinco, alumínio, magnésio e bronze.
Em geral, as peças obtidas por esse processo são pequenas e de formatos simples e requerem mais uniformidade, melhor acabamento e maior resistência mecânica que as permitidas pelo processo com molde de areia. Bielas, pistões e coletores de admissão costumam ser fabricados por esse processo.
O processo de molde permanente consiste em forçar a penetração do metal líquido na cavidade do molde metálico, também conhecido como matriz, por meio de pressão. A injeção do metal líquido contido na câmara de injeção para dentro da cavidade do molde (em geral, fabricado em aço) é feita com a ação de pistões.
O figura 8 resume e compara alguns processos de fundição abordados:
Figura 6. Comparação entre processos de fundição. Fonte: (CASOTTI et al., 2011) (Adaptado)