Seis métodos principais de fundição: Comparação Abrangente & Percepções

Introdução

Fundição, como um dos primeiros processos de trabalho a quente de metal dominados por humanos, possui uma história de aproximadamente 6,000 anos.

A China entrou no apogeu das fundições de bronze entre 1700 AC e 1000 AC, com habilidade de fundição atingindo um nível bastante avançado.

Como um processo central na fabricação moderna, a fundição permite a formação de componentes metálicos de formato complexo que são difíceis de produzir por forjamento ou usinagem, e é amplamente aplicado na indústria aeroespacial, automotivo, maquinaria, e indústrias de instrumentos de precisão.

A seleção dos métodos de fundição determina diretamente a qualidade da fundição, eficiência de produção, e custos de fabricação.

1. Fundição de areia verde (Fundição em Areia Convencional)

Definição Central & Princípio do Processo

Verde fundição em areia é o método de fundição mais tradicional e amplamente utilizado em todo o mundo.

Sua principal matéria-prima é areia de fundição (predominantemente areia de sílica; areias especiais como areia de zircão e areia de corindo são adotadas quando a areia de sílica não atende aos requisitos de alta temperatura) e ligantes de areia (argila é a mais comum; óleo seco, silicato solúvel em água, fosfato, e resinas sintéticas são opções alternativas).

Os moldes de areia externos são classificados em três tipos com base em ligantes e mecanismos de formação de resistência: molde de areia de argila verde, molde de areia de argila seca, e molde de areia quimicamente ligado.

O metal fundido é derramado no molde de areia, que solidifica para formar peças fundidas, e o molde é danificado após um único vazamento e não pode ser reutilizado.

Vantagens

• Matérias-primas econômicas: A argila é abundante em recursos e de baixo preço; sobre 90% da areia argilosa verde usada pode ser reciclada e reutilizada após o tratamento da areia, reduzindo o desperdício de materiais.
• Alta flexibilidade de processo: Ciclo curto de fabricação de moldes e alta eficiência; areia de moldagem mista tem uma longa vida útil; é adaptável a pequenos, grande, simples, e fundições complexas, bem como peça única, lote pequeno, e cenários de produção em massa.
• Limite baixo do equipamento: Não requer equipamentos especializados de alta qualidade, adequado para fundições de pequeno e médio porte.

Desvantagens & Limitações

• Baixa eficiência de produção: Cada molde de areia só pode ser usado uma vez e deve ser remodelado para fundições subsequentes, levando a baixa eficiência de produção contínua.
• Má precisão dimensional: A rigidez dos moldes de areia é baixa, resultando em graus de tolerância dimensional de fundição de CT10 – CT13, que não pode atender aos requisitos de alta precisão.
• Alto risco de defeito: As peças fundidas são propensas a defeitos típicos, como lavagem com areia, inclusão de areia, porosidade do gás, e porosidade de contração devido à estrutura solta dos moldes de areia.
• Qualidade de superfície inferior: A superfície de fundição é relativamente áspera, exigindo usinagem adicional para melhorar o acabamento.

2. Fundição de investimento (Fundição com cera perdida)

Definição Central & Princípio do Processo

Fundição de investimento, comumente conhecido como fundição por cera perdida, apresenta um fluxo de processo sofisticado:

fabricar padrões de cera usando materiais fusíveis, revestir múltiplas camadas de materiais refratários na superfície do padrão para formar uma concha de cerâmica, derreta e remova o padrão de cera para obter um molde sem separar as superfícies, e realizar torra em alta temperatura antes de despejar metal fundido.

É aplicável a uma ampla gama de ligas, incluindo aço carbono, liga de aço, liga resistente ao calor, aço inoxidável, liga de cobre, liga de alumínio, liga de titânio, e ferro dúctil, especialmente para materiais difíceis de processar por forjamento ou corte.

Vantagens

• Excelente precisão dimensional: Tolerância de elenco notas alcançam CT4 – CT6, muito maior do que a fundição em areia verde (CT10 - CT13) e comparável à fundição sob pressão (CT5–CT7), minimizando a usinagem pós-fundição.
• Alta utilização de materiais: Reduz significativamente o volume de usinagem de superfícies formadas e correspondentes, economizando tempo de usinagem e consumo de ferramentas de corte, com taxa de utilização de material superior 90%.
• Adaptabilidade de forma forte: Pode lançar componentes extremamente complexos, peças de paredes finas (espessura mínima da parede 0,5 mm), e peças fundidas de tamanho micro (peso mínimo 1g);
  também suporta fundição integrada de peças montadas, simplificando processos de montagem subsequentes.
• Ampla compatibilidade de liga: Adequado para quase todos os materiais metálicos, incluindo ligas de alta temperatura, ligas de magnésio, ligas de titânio, e metais preciosos que são difíceis de processar por outros métodos.
• Escala de produção flexível: Adapta-se à produção em massa, produção de pequenos lotes, e até personalização de peça única, com forte escalabilidade.

Desvantagens & Limitações

• Fluxo de processo complexo: Possui o processo mais complexo entre todos os métodos de fundição, envolvendo confecção de padrões de cera, revestimento de casca, DeWaxing, assar, e derramando, exigindo controle rigoroso do processo.
• Tamanho de fundição limitado: Não é adequado para peças fundidas grandes; o peso máximo das peças fundidas convencionais é geralmente de 50 kg, já que conchas grandes têm tendência a rachar durante a torrefação e o vazamento.
• Taxa de resfriamento lenta: O invólucro cerâmico tem baixa condutividade térmica, levando à solidificação lenta do metal fundido, o que pode causar estruturas de grãos grossos em algumas ligas.
• Alto custo de fabricação: O custo dos padrões de cera, materiais refratários, e o controle do processo é relativamente alto; é economicamente viável somente quando combinado com usinagem reduzida e economia de material.

3. Fundição sob pressão

Definição Central & Princípio do Processo

Fundição sob pressão é um método de fundição de alta pressão que envolve a injeção de metal fundido em uma cavidade de molde de metal de precisão em alta velocidade (10–50m/s) sob alta pressão (20–150 MPa), e solidificar o metal sob pressão para formar peças fundidas.

Possui dois processos básicos: CASTA DE CHAMBER CHAMBER (o metal fundido flui automaticamente para a câmara de pressão) e fundição sob pressão em câmara fria (o metal fundido é derramado manual ou automaticamente na câmara de pressão).

O molde é feito de aço de alta resistência, garantindo o uso repetido.

Vantagens

• Qualidade superior do produto: A precisão dimensional da fundição atinge o grau 6–7 (nota uniforme 4 para produtos de precisão) com rugosidade superficial Ra 5–8μm;
  a resistência e a dureza são 25–30% maiores do que as fundições em areia verde devido à solidificação por pressão, embora o alongamento diminua em cerca 70%.
• Eficiência de produção ultra-alta: Uma máquina de fundição sob pressão horizontal com câmara fria pode completar 600 a 700 ciclos por 8 horas,
  enquanto uma pequena máquina de fundição sob pressão com câmara quente pode atingir de 3.000 a 7.000 ciclos, excedendo em muito outros métodos de fundição.
• Longa vida útil do molde: Os moldes para fundição sob pressão de liga de zinco podem durar centenas de milhares ou até milhões de vezes, reduzindo custos de produção a longo prazo.
• Automação fácil: O processo é altamente compatível com mecanização e automação, reduzindo os custos trabalhistas e melhorando a estabilidade da produção.
• Excelentes benefícios económicos: As peças fundidas requerem usinagem mínima ou nenhuma, melhorando a utilização do metal e reduzindo o investimento em equipamentos de processamento;
  fundição sob pressão combinada de materiais metálicos e não metálicos economiza tempo de montagem e matérias-primas.

Desvantagens & Limitações

• Alto risco de defeito de porosidade de gás: Enchimento em alta velocidade leva a fluxo instável de metal fundido,
  prendendo facilmente o gás para formar porosidade interna, o que torna as peças fundidas incapazes de sofrer tratamento térmico (o tratamento térmico causa expansão de gás e rachaduras).
• Má adaptabilidade a peças côncavas internas complexas: É difícil desmoldar estruturas complexas côncavas internas, limitando o design de formas de fundição.
• Vida útil curta do molde para ligas de alto ponto de fusão: Para ligas de alto ponto de fusão, como ligas de cobre e metais ferrosos, o molde é propenso a fadiga térmica e desgaste, reduzindo significativamente a vida útil.
• Não é adequado para produção de pequenos lotes: O custo de fabricação do molde é alto, e a alta eficiência das máquinas de fundição sob pressão torna a produção de pequenos lotes economicamente inviável.

4. Fundição em Molde Permanente (Fundição em Molde Duro)

Definição Central & Princípio do Processo

Fundição em molde permanente, também chamada de fundição em molde duro, envolve despejar metal fundido em um molde de metal para formar peças fundidas.

O molde é feito de ferro fundido ou aço fundido e pode ser reutilizado centenas a milhares de vezes, daí o nome “molde permanente”.

A cavidade interna das peças fundidas pode usar núcleos de metal ou núcleos de areia, e as estruturas do molde são divididas em divisões horizontais, separação vertical, e separação composta para se adaptar a diferentes formas de fundição:

a separação vertical facilita a abertura e a desmoldagem, a separação horizontal é para peças em formato de roda com paredes finas, e a partição composta é para componentes complexos.

Vantagens

• Excelente reutilização de moldes: “Um molde para múltiplas fundições” elimina a necessidade de fabricação repetida de moldes, economizando tempo e materiais de moldagem, e melhorando a eficiência da produção.
• Alto desempenho de fundição: O molde de metal tem forte capacidade de resfriamento, levando a uma estrutura de fundição densa e propriedades mecânicas superiores em comparação com peças fundidas em areia.
• Boa precisão dimensional e qualidade de superfície: Os graus de tolerância de fundição atingem IT12–IT14, rugosidade superficial Ra ≤6,3μm, reduzindo a carga de trabalho de pós-processamento.
• Melhores condições de trabalho: Usa pouca ou nenhuma areia, evitando a poluição por poeira e otimizando o ambiente operacional para os trabalhadores.

Desvantagens & Limitações

• Alto custo do molde e longo ciclo de fabricação: O molde de metal requer materiais de alta resistência e processamento de precisão,
  com alto investimento inicial e longo prazo de entrega, inadequado para produção de peças únicas e pequenos lotes.
• Ligas e tamanhos de fundição aplicáveis ​​limitados: Principalmente adequado para produção em massa de peças fundidas de ligas não ferrosas (pistões de alumínio, blocos de cilindros, cabeças de cilindro, buchas de liga de cobre, etc.) para automóveis, Aeronave, e motores de combustão interna;
  para fundições de ligas ferrosas, só é aplicável a peças de pequeno e médio porte com formatos simples.
• Requisitos de processo rigorosos: O molde precisa de pré-aquecimento e controle de temperatura para evitar fechamentos a frio e rachaduras no molde; é propenso à fadiga térmica após uso prolongado, afetando a qualidade da fundição.

5. Fundição de baixa pressão

Definição Central & Princípio do Processo

A fundição de baixa pressão é um método de fundição que preenche o molde e solidifica o metal fundido sob baixa pressão. (0.02-0,06 MPa).

O processo principal inclui: derramando metal fundido em um cadinho isolado, selando o cadinho, conectando o tubo ascendente ao molde, introdução de ar comprimido seco no cadinho para conduzir o metal fundido para cima através do tubo ascendente para preencher a cavidade do molde,
solidificando o metal sob pressão constante, liberando a pressão para permitir que o metal fundido residual flua de volta para o cadinho, e finalmente abrindo o molde para retirar a peça fundida.

Vantagens

• Controle de processo flexível: A velocidade de subida do metal fundido e a pressão de solidificação são ajustáveis, adequado para vários moldes (Moldes de metal, Moldes de areia) e ligas, bem como peças fundidas de diferentes tamanhos.
• Enchimento estável e baixa taxa de defeitos: O enchimento de baixo para cima garante um fluxo suave de metal fundido sem respingos, evitando aprisionamento de gás e erosão das paredes e núcleos do molde;
  defeitos de fundição, como porosidade de gás e inclusão de escória, são significativamente reduzidos, com taxa de qualificação acima 95%.
• Fundições de alta qualidade: A solidificação por pressão realiza a solidificação direcional de fora para dentro, resultando em estrutura de fundição densa,
  contornos claros, superfícies lisas, e excelentes propriedades mecânicas, especialmente adequado para grandes peças de paredes finas.
• Alta utilização de materiais: Nenhum riser de alimentação é necessário, com taxa de utilização de material atingindo 90–98%, reduzindo o desperdício de metal.
• Ambiente de trabalho amigável: Baixa intensidade de trabalho, equipamento simples, e fácil realização de mecanização e automação, em conformidade com os requisitos de produção modernos.

Desvantagens & Limitações

• Vida útil curta do tubo ascendente: O tubo ascendente está em contato direto com metal fundido em alta temperatura por um longo tempo, propenso a oxidação e desgaste, exigindo substituição regular.
• Risco de poluição por metal fundido: Durante a preservação do calor, o metal fundido é facilmente oxidado e misturado com escória, exigindo controle rigoroso do ambiente de preservação de calor e purificação de metal fundido.
• Escopo de aplicação limitado: Usado principalmente para fundir peças fundidas de liga de alumínio e liga de magnésio de alta qualidade, como blocos de cilindros, cabeças de cilindro, cárteres, e pistões de alumínio com motor de combustão interna de alta velocidade; raramente é usado para ligas ferrosas devido aos requisitos de alta temperatura.

6. Elenco centrífugo

Definição Central & Princípio do Processo

A fundição centrífuga envolve despejar metal fundido em um molde rotativo, onde o metal preenche o molde e solidifica sob força centrífuga.

De acordo com a orientação do eixo de rotação do molde, é dividido em três tipos: fundição centrífuga horizontal (eixo horizontal ou <4° para horizontal, adequado para peças cilíndricas longas),

fundição centrífuga vertical (eixo vertical, adequado para peças cilíndricas ou anulares curtas), e fundição centrífuga de eixo inclinado (raramente usado devido à operação complexa).

A força centrífuga impulsiona o movimento direcional do metal fundido, otimizando a estrutura de fundição.

Vantagens

• Estrutura de molde simplificada: Para peças rotativas ocas, sem núcleo, sistema de bloqueio, ou riser é necessário, simplificando o projeto do molde e reduzindo os custos de fabricação.
• Fundições de alta qualidade: A força centrífuga separa gases e escórias de baixa densidade para a superfície interna,
  e promove a solidificação direcional de fora para dentro, resultando em estrutura de fundição densa, poucos defeitos, e excelentes propriedades mecânicas.
• Economia de custos para peças bimetálicas: Componentes bimetálicos fáceis de fundir, como buchas e rolamentos (por exemplo, mangas de aço com revestimento fino de cobre), economizando metais não ferrosos caros e garantindo desempenho.
• Forte capacidade de enchimento: A força centrífuga aumenta a fluidez do metal fundido, adequado para fundir peças de paredes finas e ligas com baixa fluidez.
• Redução do desperdício de materiais: Elimina sistemas de portão e risers, melhorando ainda mais a utilização de materiais.

Desvantagens & Limitações

• Má qualidade da superfície interna: A superfície livre interna das peças fundidas é áspera, com grandes erros dimensionais e baixa uniformidade, exigindo usinagem subsequente para atender aos requisitos dimensionais.
• Inadequado para certas ligas: Não aplicável a ligas com segregação de densidade severa (por exemplo, bronze de chumbo), pois a força centrífuga irá exacerbar a segregação;
  também não é adequado para ligas de alumínio e magnésio devido à sua baixa densidade e fraco efeito de separação centrífuga.
• Formas de fundição limitadas: Adequado apenas para girar peças simétricas (cilindros, anéis, mangas); não é possível fundir peças de formato complexo com contornos irregulares.
• Altos requisitos de equipamento: Requer máquinas de fundição centrífuga especializadas com controle de velocidade de rotação estável, aumentando o investimento em equipamentos.

7. Tabela de comparação de métodos de fundição comumente usados

8. Conclusão

Cada método de fundição oferece vantagens e limitações exclusivas que o tornam adequado para aplicações específicas.

A fundição em areia continua sendo o método mais versátil e econômico para grandes, peças fundidas complexas, enquanto a fundição de precisão fornece precisão excepcional para componentes de alto valor.

A fundição sob pressão é excelente na produção de alto volume de peças de paredes finas, e a fundição em molde permanente oferece qualidade consistente para produção de não ferrosos de médio volume.

A fundição de baixa pressão é ideal para componentes de alumínio e magnésio de alta integridade, e a fundição centrífuga é incomparável para peças simétricas ocas.

A seleção de um método de fundição apropriado depende de fatores que incluem a geometria da peça, precisão dimensional necessária, acabamento superficial, Tipo de material, volume de produção, e considerações de custo.

A fabricação moderna combina cada vez mais essas técnicas para aproveitar suas vantagens complementares, impulsionando a inovação na produção de componentes complexos na indústria aeroespacial, automotivo, e setores industriais.