Sebenta · Avaliar e executar os processos de fundição (UC05035)

Introdução

Esta sebenta acompanha a unidade curricular Avaliar e executar os processos de fundição, do curso de Técnico de Projeto de Moldes e Modelos, Fundição. A fundição é um dos processos de fabrico mais antigos da indústria: verte-se metal líquido para dentro de um molde com a forma pretendida e deixa-se solidificar. É assim que se obtêm blocos de motor, torneiras, ferragens, peças de arte e milhares de componentes industriais.

O percurso desta UC segue sempre a mesma lógica, repetida em cada peça: analisar os requisitos técnicos e funcionais da peça a obter, selecionar o processo de fundição mais adequado, definir as variáveis críticas desse processo, executar as técnicas e operações dos vários processos de fundição e, por fim, efetuar o controlo de qualidade das peças. Estas cinco ações são as realizações oficiais desta UC e organizam toda a matéria que se segue.

Ao longo dos próximos capítulos vamos conhecer as matérias-primas (areias e metais), os tipos de moldes e de machos, os processos de moldação manual e mecânica, os quatro grandes processos de fundição (em areia, em coquilha, injetada e por cera perdida), a fusão e o vazamento do metal, o controlo do arrefecimento, a desmoldação, a limpeza e o acabamento, o controlo de qualidade e, finalmente, as normas de segurança, gestão de resíduos, proteção ambiental e qualidade que atravessam toda a indústria de fundição.

1. Fundição: objetivo, tipos, aplicações e vantagens

Fundir é obter uma peça vertendo um metal ou uma liga metálica líquida para dentro de uma cavidade com a forma pretendida, deixando-a solidificar. É um dos processos de fabrico mais versáteis: permite obter geometrias complexas numa única peça, que seriam difíceis ou impossíveis de conseguir só por maquinagem.

Objetivo e vantagens

O objetivo da fundição é transformar metal em estado líquido numa peça sólida com a forma, as dimensões e as propriedades mecânicas exigidas. As suas principais vantagens são:

• Liberdade de forma: cavidades internas, reforços e geometrias complexas numa só peça.
• Economia em série: uma vez feito o molde, cada peça repete o mesmo custo de matéria-prima e energia.
• Grande variedade de materiais: praticamente qualquer metal ou liga fundível pode ser processado.

Tipos e aplicações

A fundição está presente em quase todos os setores industriais, precisamente porque combina liberdade de forma com economia à escala.

2. Desenho técnico e fichas de trabalho

Antes de qualquer decisão sobre o processo, o técnico tem de analisar os requisitos técnicos e funcionais da peça a obter. Essa análise começa sempre no desenho técnico (plantas).

O que se lê no desenho técnico

• Dimensões e tolerâncias: quanto é que a peça pode variar sem deixar de ser conforme.
• Acabamento superficial: se é exigida uma superfície fina ou basta o acabamento de fundição.
• Material: o metal ou a liga metálica especificada.
• Função da peça: que esforços mecânicos, térmicos ou de corrosão vai suportar em serviço.
• Quantidade a produzir: uma peça, série pequena ou série grande, o que condiciona diretamente a escolha do processo.

Interpretar corretamente estes elementos é a base de tudo o resto: um erro na leitura do desenho técnico propaga-se a todas as fases seguintes.

A ficha de trabalho

A ficha de trabalho é o documento que acompanha a peça em toda a produção. Interpretá-la é uma aptidão avaliada nesta UC, e é nela que se apoia a seleção das matérias-primas usadas em fundição, de acordo com um dos critérios de desempenho oficiais.

A ficha regista tipicamente:

As fichas de acompanhamento das fases do processo de produção registam, passo a passo, o que aconteceu em cada fase: moldação, fusão, vazamento, arrefecimento, desmoldação e acabamento. É este registo que dá rastreabilidade: se uma peça falhar, a ficha permite descobrir em que fase esteve a origem do problema.

3. Matérias-primas: as areias de fundição

A fundição em areia é o processo de fundição mais utilizado, e a qualidade do molde depende diretamente da mistura de areia usada. Caracterizar os tipos de areias de fundição é uma aptidão explícita desta UC.

Composição de uma areia de moldação

A proporção certa entre estes componentes dá ao molde três qualidades essenciais: resistência mecânica para não desmoronar, permeabilidade suficiente para deixar sair os gases, e capacidade de reprodução de detalhe para copiar fielmente o modelo.

Tipos de areias

A areia verde é reciclável, o que a torna económica em grandes volumes. As areias de macharia (caixa fria e caixa quente) exigem mais processo, mas dão peças mais resistentes e rigorosas, próprias para os machos que ficam rodeados de metal líquido em todas as faces.

4. Metais e ligas metálicas

Cada metal e cada liga metálica traz consigo propriedades próprias, sobretudo a densidade e a temperatura de fusão, que condicionam todo o processo, do forno ao molde.

Temperaturas de fusão de referência

Metais de fusão mais baixa (alumínio, zinco) permitem moldes mais simples e são fáceis de trabalhar em oficina de formação. Metais de fusão mais alta (ferro fundido, aço) exigem fornos e moldes preparados para temperaturas muito superiores, com maior exigência de segurança.

Escolher a liga certa

A escolha da liga metálica decorre diretamente da análise dos requisitos da peça, feita no desenho técnico:

• Resistência mecânica exigida em serviço (cargas, impactos, fadiga).
• Resistência à corrosão conforme o ambiente (interior, exterior, marítimo, químico).
• Peso: uma peça de alumínio pesa cerca de um terço de uma equivalente em ferro fundido.
• Custo e disponibilidade do material no mercado.

Esta escolha é já uma das variáveis críticas do processo, porque determina a temperatura de fusão e de vazamento, o tipo de molde compatível e a técnica de vazamento a aplicar mais adiante.

Exemplo resolvido: escolher entre alumínio e ferro fundido

Uma oficina tem de produzir 500 tampas para um motor pequeno, com paredes finas e exigência de peso reduzido, sem grande exposição a esforços mecânicos elevados.

Resolução: a liga de alumínio é a escolha indicada. Justificação: temperatura de fusão baixa (menos energia e menor risco), peso reduzido (requisito da peça), boa fluidez para paredes finas, e o volume (500 peças) já justifica um molde permanente ou semipermanente. O ferro fundido seria preferível apenas se a peça exigisse muito maior resistência mecânica ou resistência ao desgaste, ao custo de mais peso e temperaturas de fusão bem mais elevadas.

5. Moldes para fundição

O molde é o elemento que dá forma à peça. O referencial distingue quatro tipos de moldes para fundição, e reconhecê-los é uma aptidão explícita desta UC.

Os quatro tipos de molde

Constituintes do molde

Descrever os diferentes constituintes dos moldes é um critério de desempenho oficial desta UC.

• Cavidade: espaço interior com a forma exata da peça a obter.
• Sistema de gitagem: conjunto de canais (bacia de vazamento, canal de descida, canais de distribuição ou gitos) por onde o metal líquido entra na cavidade.
• Massalotes: reservas de metal líquido, ligadas à peça, que a alimentam durante a solidificação, compensando a contração do metal ao arrefecer.
• Respiros: canais estreitos que deixam sair o ar da cavidade e os gases gerados durante o vazamento.
• Macho: peça de areia curada, colocada dentro do molde, que forma os vazios internos da peça final.

6. Processo de moldação: manual e mecânica

Moldar é o processo de construir o molde de areia à volta de um modelo. O referencial distingue dois processos: manual e mecânica.

Moldação manual, passo a passo

1. Colocar o modelo sobre uma base plana, dentro da chapola (caixa de moldação) inferior.
2. Encher com areia e compactar (socar) uniformemente à volta do modelo.
3. Rasar o excesso de areia e virar a chapola.
4. Repetir o processo na chapola superior, incluindo o sistema de gitagem e os respiros.
5. Retirar o modelo com cuidado, sem danificar a cavidade formada.
6. Fechar e cintar as duas chapolas, prontas para o vazamento.

Moldação mecânica

A moldação mecânica usa máquinas (por vibração, prensagem ou projeção de areia) e placas-molde para acelerar drasticamente a produção de moldes iguais entre si.

A escolha entre manual e mecânica decorre diretamente da quantidade a produzir, definida logo na análise inicial da peça: uma peça única compensa fazer-se à mão, uma série de milhares justifica o investimento na moldação mecânica.

7. Caixas de machos e macharia

O macho é o elemento de areia que forma os vazios internos da peça, e é produzido numa caixa de machos própria, separada da caixa de moldação do molde principal.

Requisitos do macho

• Resistência mecânica elevada: fica rodeado de metal líquido em todas as faces, sem apoio direto no exterior como o molde.
• Respiros próprios: os gases gerados dentro do macho têm de ter para onde sair, senão ficam presos na peça.
• Assentos (marcas) que o posicionam com exatidão dentro do molde, garantindo que os vazios internos ficam no sítio certo.

Caixa fria e caixa quente

Ambos os processos dão machos mais resistentes e dimensionalmente mais consistentes do que a areia verde comum, e por isso são a escolha habitual sempre que o macho tem geometria fina ou vai ficar sujeito a maior pressão de metal líquido.

8. Processos de fundição: em areia, em coquilha, injetada e cera perdida

Selecionar o processo de fundição é a segunda grande realização da UC, feita depois de conhecidos os requisitos da peça e a liga escolhida.

Fundição em areia

• Molde perdido, produzido de novo para cada peça (ou pequena série, no caso de moldação mecânica).
• Muito versátil: quase qualquer liga e quase qualquer tamanho ou geometria.
• Custo de molde baixo; ciclo de produção mais lento por peça.
• Acabamento superficial mais rugoso, muitas vezes exigindo maquinagem posterior.

Fundição em coquilha

• Molde metálico permanente (coquilha), reutilizado centenas a milhares de vezes.
• Metal vertido por gravidade (ou baixa pressão) para dentro da coquilha.
• Arrefecimento mais rápido, grão mais fino, melhor acabamento superficial do que a areia.
• Investimento inicial no molde mais elevado; compensa em séries médias a grandes.

Fundição injetada

• Metal líquido injetado sob pressão elevada num molde metálico permanente.
• Ciclos de produção muito curtos, ideal para grandes séries.
• Ligas de baixa temperatura de fusão: alumínio, zinco, magnésio.
• Excelente precisão dimensional e acabamento, permite paredes finas.

Fundição por cera perdida (microfusão)

1. Produz-se um modelo da peça em cera.
2. Revestem-se sucessivas camadas de material refratário sobre a cera, formando uma casca cerâmica.
3. Aquece-se o conjunto: a cera derrete e escoa (é "perdida"), deixando a cavidade oca.
4. Verte-se o metal líquido diretamente na casca ainda quente.
5. Parte-se a casca cerâmica para libertar a peça final.

Este processo dá o detalhe mais fino e o melhor acabamento de todos, mas é lento e caro: usa-se em peças de precisão, joalharia, próteses e pás de turbina.

Comparação dos quatro processos

9. Fusão e vazamento do metal

Preparar e fundir o metal ou liga metálica

Definido o molde e a liga, segue-se a fusão, uma das variáveis críticas do processo:

• Pesagem da carga: metal novo mais retornos de fundição (gitos e massalotes de peças anteriores).
• Fusão no forno: fornos de indução, de cadinho ou a gás, escolhidos conforme a liga e a escala de produção.
• Controlo da temperatura: cada liga tem uma janela de temperatura de vazamento ótima, sempre um pouco acima da sua temperatura de fusão, para compensar a perda de calor até ao molde.
• Desgasificação e escorificação: remoção de gases dissolvidos e de impurezas (escória) à superfície do banho, antes de verter.

Técnica de vazamento do metal no molde

Efetuar o vazamento do metal no molde é uma aptidão central desta UC:

• Verter o metal de forma contínua e controlada, pela bacia de vazamento, evitando turbulência.
• Manter a altura de queda mínima, para não incorporar ar no metal líquido.
• Respeitar a temperatura de vazamento definida para a liga.
• Vazar até o metal aparecer nos respiros e massalotes, sinal de que o molde encheu por completo.

O vazamento é um momento irreversível do processo: um erro aqui só se descobre com a peça já defeituosa.

Exemplo resolvido: temperatura de vazamento

Uma liga de alumínio funde a 660 °C. A ficha de trabalho pede um sobreaquecimento de vazamento de 60 a 80 °C acima da temperatura de fusão, para compensar a perda de calor entre o forno e o molde.

Resolução: a temperatura de vazamento deve estar entre 720 °C e 740 °C (660 + 60 a 660 + 80). Vazar a 660 °C exatos seria arriscado: o metal começaria a solidificar antes de preencher toda a cavidade, resultando em falta de enchimento. Vazar muito acima de 740 °C, por outro lado, aumenta a oxidação e o risco de defeitos, sem benefício adicional.

Segurança na fusão e no vazamento

A fusão e o vazamento são das fases mais perigosas do processo:

• EPI obrigatório: viseira facial, luvas e avental resistentes ao calor, botas de biqueira de aço.
• Nunca aproximar material húmido do metal líquido: a água evapora bruscamente e provoca projeções violentas.
• Zona de fusão e vazamento sinalizada, com ventilação adequada aos fumos metálicos.

10. Controlo do arrefecimento e desmoldação

Controlo do arrefecimento

Depois de cheio, o molde arrefece e o metal solidifica. Monitorizar o arrefecimento e a solidificação é uma aptidão avaliada, e é também uma variável crítica do processo:

• Arrefecimento demasiado rápido pode gerar tensões internas e fissuras.
• Arrefecimento demasiado lento aumenta o tempo de ciclo e pode alterar a microestrutura da liga.
• A solidificação direcional correta acontece das partes finas da peça para os massalotes: estes devem solidificar por último, continuando a alimentar a peça enquanto ela contrai.

Desmoldação: processo, procedimentos e cuidados

A desmoldação é a operação de retirar a peça já sólida do molde:

• Em molde perdido (areia): a chapola parte-se ou vibra-se para libertar a peça; a areia é recuperada e reciclada.
• Em molde permanente (coquilha, injeção): a peça é extraída e o molde reaproveitado de imediato para o ciclo seguinte.
• Atenção a temperaturas residuais ainda elevadas: usar sempre EPI térmico.
• Manuseamento cuidadoso, para não danificar arestas ou geometrias finas ainda frágeis.

11. Limpeza, acabamento e controlo de qualidade

Limpeza e acabamento da peça fundida

Desmoldada, a peça ainda não está pronta a entregar. A sequência correta de acabamento é:

1. Remoção dos gitos e massalotes, cortados por serra, rebarbadora ou corte a quente.
2. Granalhagem ou jateamento, para remover areia agarrada e óxidos superficiais.
3. Rebarbagem, eliminando rebarbas nas linhas de junção do molde.
4. Tratamento térmico (quando a liga o exigir): alívio de tensões, recozimento.
5. Inspeção visual e dimensional preliminar.

Efetuar o controlo de qualidade das peças

O controlo de qualidade é a última realização da UC, e fecha o ciclo iniciado na análise dos requisitos técnicos e funcionais:

• Inspeção visual: superfície, rebarbas, porosidade visível a olho nu.
• Inspeção dimensional: cotas e tolerâncias comparadas ponto a ponto com o desenho técnico.
• Deteção de defeitos internos: porosidade, rechupes, inclusões e sopros, com raio-x ou ultrassons quando exigido pela criticidade da peça.
• Registo dos resultados na ficha de trabalho, garantindo rastreabilidade até ao lote de metal e ao operador.

Defeitos comuns e as suas causas

Exemplo resolvido: interpretar um defeito

Uma peça fundida em areia apresenta uma zona esponjosa e cheia de pequenas cavidades junto à secção mais espessa, exatamente onde estava um massalote pequeno.

Resolução: trata-se de um rechupe, causado por um massalote subdimensionado que não conseguiu alimentar a peça com metal líquido suficiente durante a contração da solidificação. A correção não está na peça já fundida (é sucata ou retrabalho), mas no processo: aumentar o volume do massalote nessa zona para o próximo lote, garantindo que ele solidifica por último.

O controlo de qualidade não serve apenas para aceitar ou rejeitar peças: serve, sobretudo, para corrigir o processo e evitar que o mesmo defeito se repita no lote seguinte.

12. Segurança, ambiente e normas da qualidade

O último critério de desempenho da UC junta cinco frentes que atravessam todas as fases anteriores: segurança e saúde no trabalho, proteção individual, gestão de resíduos, proteção ambiental e qualidade.

Equipamentos de proteção individual e segurança no trabalho

• EPI obrigatório: viseira facial, luvas térmicas, avental resistente ao calor, botas de biqueira de aço, proteção respiratória contra poeiras de areia.
• Sinalização das zonas de risco e distâncias de segurança à zona de vazamento.
• Planos e normas de segurança, incluindo procedimentos de emergência com extintores próprios para fogo de metal (nunca água).

Normas de gestão de resíduos e de proteção ambiental

• Areia usada: reciclada sempre que possível, ou encaminhada como resíduo conforme a legislação aplicável.
• Escória e restos metálicos: separados e reintroduzidos no ciclo de fusão como retorno.
• Emissões e fumos: captados e tratados, cumprindo as normas de proteção ambiental.
• Água de arrefecimento: tratada antes de qualquer descarga.

Normas da qualidade

• Especificações de composição química da liga, verificadas por análise laboratorial.
• Especificações de tolerâncias dimensionais e de acabamento superficial.
• Procedimentos normalizados de inspeção e ensaio (visual, dimensional, não destrutivo).
• Registos de rastreabilidade, ligando cada peça ao lote de metal e ao operador responsável.

Erros comuns

• Saltar a leitura do desenho técnico e ir direto a "escolher um processo", sem confirmar tolerâncias e acabamento exigidos.
• Usar a mesma areia para o molde e para o macho, ignorando que o macho fica rodeado de metal em todas as faces e precisa de mais resistência.
• Confundir "molde perdido" com "modelo perdido": o molde perdido é destruído após a desmoldação, mesmo quando o modelo usado para o fazer é reutilizável.
• Esquecer os respiros do macho ou do molde: os gases presos causam bolhas e porosidade na peça.
• Verter o metal demasiado frio ou demasiado depressa: dá falta de enchimento e turbulência que arrasta areia e gases.
• Desmoldar a peça antes do arrefecimento completo, provocando deformações e fissuras.
• Inspecionar a peça ainda com gitos e areia agarrada, mascarando defeitos reais.
• Tratar resíduos de fundição como lixo comum, ignorando as normas próprias para areias com resina e escórias.
• Retirar o EPI "só por um bocadinho" perto do forno ou da zona de vazamento.

Glossário

• Fundição: processo de obter peças vertendo metal líquido num molde e deixando-o solidificar.
• Molde: cavidade que dá forma à peça fundida.
• Molde perdido: molde destruído para retirar a peça, um por peça.
• Molde permanente: molde metálico reutilizável centenas a milhares de vezes.
• Macho: peça de areia curada, colocada dentro do molde, que forma os vazios internos.
• Caixa fria / caixa quente: processos de macharia, cura por gás catalisador ou por calor.
• Areia verde: mistura de areia, argila e água, base da moldação corrente.
• Sistema de gitagem: conjunto de canais por onde o metal líquido entra no molde.
• Massalote: reserva de metal líquido que alimenta a peça durante a solidificação.
• Respiro: canal que deixa sair o ar e os gases do molde durante o vazamento.
• Coquilha: molde metálico permanente usado na fundição por gravidade.
• Fundição injetada: processo com molde permanente e metal injetado sob pressão.
• Cera perdida (microfusão): processo com modelo de cera destruído e casca cerâmica.
• Desmoldação: operação de retirar a peça sólida do molde.
• Granalhagem: limpeza da peça por projeção de granalha, remove areia e óxidos.
• Rechupe: cavidade interna causada por alimentação insuficiente durante a solidificação.
• Porosidade: pequenas bolhas na peça, causadas por gases presos.
• EPI: equipamento de proteção individual.

Síntese

A fundição segue sempre a mesma sequência lógica: analisar a peça a partir do desenho técnico e da ficha de trabalho, selecionar o processo (areia, coquilha, injetada ou cera perdida) e a liga metálica, definir as variáveis críticas de temperatura, molde e macho, executar as técnicas de moldação, fusão, vazamento, arrefecimento e desmoldação, e efetuar o controlo de qualidade das peças, corrigindo o processo sempre que um defeito o justifique. Transversalmente a todas as fases, cumprem-se as normas de segurança e saúde no trabalho, o uso de EPI, a gestão de resíduos, a proteção ambiental e as normas da qualidade. Dominar este ciclo completo é o que distingue um técnico de fundição competente.

Exercícios resolvidos

1. Uma peça pequena, de série grande, com paredes muito finas e boa precisão dimensional, vai ser produzida em liga de zinco. Que processo de fundição escolherias?

Resolução: fundição injetada (die casting). É o processo indicado para séries grandes, ligas de baixa temperatura de fusão como o zinco, paredes finas e alta precisão dimensional. O investimento elevado no molde e no equipamento amortiza-se precisamente pelo grande volume de peças.

2. Explica porque é que o molde de areia se chama "molde perdido", mesmo quando o modelo usado para o fazer é reaproveitado dezenas de vezes.

Resolução: "perdido" refere-se ao molde, não ao modelo. O molde de areia é destruído (a chapola parte-se ou vibra-se) sempre que se retira a peça, por isso é preciso fazer um molde novo para cada peça seguinte. O modelo, esse, é uma peça à parte (madeira, metal ou resina) que pode ser reutilizado indefinidamente para fazer novos moldes.

3. Uma peça fundida sai com pequenas bolhas espalhadas pela superfície interna. Que defeito é este e qual a causa mais provável?

Resolução: porosidade, causada normalmente por gases presos, seja por desgasificação insuficiente do metal antes do vazamento, seja por respiros insuficientes no molde ou no macho que não deixaram os gases escapar durante o enchimento.

4. Porque é que os massalotes têm de solidificar por último?

Resolução: porque a sua função é continuar a alimentar a peça com metal líquido enquanto esta contrai ao arrefecer. Se o massalote solidificasse primeiro, deixaria de haver metal líquido disponível para compensar a contração da peça, e formar-se-ia um rechupe (cavidade interna) exatamente na zona mais espessa.

5. Um colega diz que caixa fria e caixa quente produzem machos "iguais, só muda o nome". Corrige-o.

Resolução: não são iguais. Na caixa fria, a areia com resina cura à temperatura ambiente, por reação química com um gás catalisador. Na caixa quente, a cura acontece pelo calor da própria caixa aquecida. O agente de cura é diferente (gás versus calor), o que muda o tempo de ciclo, o equipamento necessário e, em muitos casos, a resistência final do macho.

6. Antes de aceitar uma peça fundida crítica (por exemplo, para uma aplicação de segurança), que tipo de controlo de qualidade se deve fazer, além da inspeção visual?

Resolução: deve fazer-se inspeção dimensional (comparar cotas com o desenho técnico) e, sendo uma peça crítica, deteção de defeitos internos com raio-x ou ultrassons, já que a inspeção visual não deteta porosidade, rechupes ou inclusões dentro da peça. Os resultados devem ficar registados na ficha de trabalho, garantindo rastreabilidade até ao lote de metal usado.