A fundição em areia, embora seja uma técnica antiga, tem visto avanços notáveis e continua altamente relevante no século 21. Este processo, com raízes que remontam a quase 5.000 anos até o antigo Egito, evoluiu consideravelmente ao longo dos séculos, preservando seus princípios básicos. Neste artigo, vamos nos aprofundar no processo moderno de fundição em areia, examinando como ele funciona e por que continua sendo uma das técnicas de fundição de metal mais utilizadas , mesmo milhares de anos após seu início.
Principais pontos
- Fundição em areia é um processo de fundição de metal altamente versátil que produz componentes que vão de pequenos pinos a grandes peças de locomotivas. Ele acomoda vários metais, incluindo ligas ferrosas e não ferrosas , tornando-o o método de fundição mais amplamente usado globalmente.
- As propriedades da areia de moldagem, como refratariedade, permeabilidade, condutividade térmica e fluidez, garantem que o metal fundido preencha o molde adequadamente e que o produto final tenha as características desejadas , impactando tanto a qualidade quanto a eficiência do processo.
- A fundição em areia oferece vantagens como custo-benefício , adequação para várias escalas de produção e compatibilidade com uma ampla gama de metais. No entanto, desafios como variabilidade do acabamento da superfície , problemas de controle da taxa de resfriamento e a necessidade de mão de obra qualificada destacam suas limitações.
O que é fundição em areia?
Fundição em areia, ou fundição moldada em areia, é um processo de fabricação de metal que usa matrizes feitas de areia para criar produtos de metal. A areia é facilmente moldável com objetos comuns. Após moldá-la conforme desejado, o metal fundido quente é despejado no molde. Conforme o metal esfria, ele assume a forma do molde conforme se solidifica. O produto final de metal é então extraído do molde de areia e passa por acabamento antes de ser colocado em uso.
Usando a técnica de fundição em areia, produtos de todos os tamanhos e níveis de complexidade podem ser fabricados. Pode ser usada para fundir itens tão pequenos quanto pinos ou tão grandes quanto locomotivas ferroviárias . Além disso, é compatível com uma ampla gama de metais , incluindo ferro fundido, ferro maleável, aço, ligas de níquel, ligas de cobre, ligas de alumínio e ligas de magnésio.
Sua versatilidade faz da fundição em areia o processo de fundição mais utilizado no mundo, com mais de 60% de todos os produtos de metal fundido sendo feitos usando esse método.
Propriedades da areia de moldagem
Embora existam muitos tipos diferentes de areias para escolher, nem todas são adequadas para o processo de fundição. Cada uma delas exibe certas características que podem ou não se alinhar com os requisitos do projeto.
Dependendo do processo de fundição e do metal, a combinação certa de propriedades na areia de moldagem é necessária. Para aumentar a coesão, aditivos e ligantes especiais podem ser adicionados à mistura básica de areia, argila e água.
Esses ligantes, que podem ser orgânicos ou inorgânicos, incluem cereais, piche moído, carvão marinho, gilsonita, óleo combustível, farinha de madeira, farinha de sílica, óxido de ferro e perlita, entre outros. Alguns desses ligantes têm efeitos contraditórios, mas compensações são frequentemente necessárias para equilibrar as propriedades para aplicações específicas de fundição.
Os quatro tipos mais comuns de areia usados para fundição são areia verde, areia seca, silicato de sódio e areia resinosa:
- Areia verde é chamada assim porque é essencialmente areia bruta misturada com água. Ela exibe uma consistência semelhante à argila. Areia verde oferece uma opção de baixo custo para areia de fundição com boa reutilização e é compatível com altas taxas de produção. No entanto, sua baixa maleabilidade pode fazer com que o molde entre em colapso em certas situações. Ela também tem uma propensão a criar defeitos de superfície.
- Areia seca, por outro lado, é uma areia de moldagem que usa argila e contém muito pouca água atuando como agente de ligação. Ela mantém sua forma muito bem quando socada no lugar. Um benefício da areia seca é que ela cria muito pouco vapor durante o estágio de enchimento, o que, no caso de areias mais úmidas, pode levar à fratura do molde se não for controlado.
- Silicato de sódio, também conhecido como vidro de água, é uma areia especial que usa um ligante de silicato de sódio para integrar a areia. O silicato de sódio pode criar formas mais intrincadas ou complexas do que areia verde e seca.
- Areia de resina, também conhecida como areia Furan , é outra areia popular usada para fundição em areia. Ela usa uma resina de álcool furfurílico para fazer uma massa coerente da areia. O composto robusto e altamente estável tem muito pouca tendência a quebrar e fornece excelente precisão dimensional e acabamento de superfície. No entanto, é a mais cara de todas as areias. Ela também tem um prazo de entrega maior.
Engenheiros de fundição escolhem o tipo de areia com base no metal, geometria do produto e limites de tolerância . Mas não importa as especificações, eles sempre selecionam um tipo de areia para as seguintes propriedades:
Refratariedade
Refratariedade é uma propriedade do material que lhe permite suportar choques térmicos e queima quando submetido a altas temperaturas. A areia serve como um material refratário para metal fundido e, portanto, precisa ter um alto ponto de fusão. A seleção de areia para fundição é amplamente influenciada pela temperatura do processo. Se a refratariedade for insuficiente, a areia derreterá e se fundirá à fundição.
Para muitos metais, como o alumínio, a areia só precisa suportar uma temperatura de 700 graus Celsius. No entanto, areias para fundições de aço precisam suportar pelo menos 1500 graus Celsius, pois o ponto de fusão é mais alto .
Permeabilidade
A areia deve ventilar vapor e outros gases gerados durante o processo de fundição. Cada unidade de água no molde produz 1600 unidades de vapor.
Se os gases e o vapor ficarem presos, isso pode causar defeitos como bolhas e furos de gás no produto final. A remoção deles é crucial para obter um acabamento de boa qualidade . Assim, a permeabilidade é uma propriedade crucial na areia para obter um produto acabado de alta qualidade.
As propriedades da areia de moldagem são influenciadas pelo tamanho e distribuição do grão: grãos pequenos aumentam a resistência do molde, mas reduzem a permeabilidade, enquanto grãos maiores aumentam a permeabilidade. Grãos finos produzem um acabamento de superfície suave em peças fundidas, mas têm baixa permeabilidade, enquanto grãos grossos fornecem maior permeabilidade, mas um acabamento mais áspero.
Alta condutividade térmica
Condutividade térmica é a propriedade de um material que permite que o calor flua através dele. O fluxo de calor eficiente leva ao resfriamento mais rápido do metal fundido. Areias com alta condutividade térmica são necessárias para transferir o calor do metal fundido para a atmosfera.
Baixa Expansão Térmica
Expansão térmica é o aumento ou diminuição do volume de um material quando calor é adicionado ou removido, respectivamente. Para o processo de fundição em areia, é necessária areia com uma expansão térmica muito baixa. Esse tipo de areia manterá sua forma durante vários estágios do processo de fundição, incluindo o vazamento de metal líquido e o resfriamento subsequente.
Fluidez
A capacidade da areia de fluir para áreas menores, como cavidades, depressões e canais profundos do padrão, determina se podemos usá-la para moldar formas complexas. Areia com maior fluidez preencherá todas as características de um padrão sem exigir pressão externa.
Uma areia altamente fluida não é necessária para formas simples, como uma tampa de bueiro, mas pode ser necessária para algo mais complexo, como uma escultura. O nível de fluidez necessário pode, portanto, ser determinado caso a caso.
Custo
O custo também pode variar significativamente de areia para areia. Areia de sílica, por exemplo, tem alta disponibilidade, mas também problemas como instabilidade dimensional e a tendência de queimar ou mesmo explodir para formar partículas de tamanho submicrométrico sob choque térmico. A silicose também é um problema extremamente preocupante, com trabalhadores sendo expostos à sílica por longos períodos. Areia de olivina e cromita, por outro lado, são mais caras e menos disponíveis, mas não têm os problemas mencionados acima.
Processo de fundição em areia
O processo de fundição é direto para produtos simples. Uma cavidade com o formato desejado é criada, e o metal fundido é despejado nela por um canal vertical. Uma vez que o metal se solidifica, ele é extraído removendo a areia do molde ao redor dele.
Entretanto, com formas complexas, aspectos como preencher o molde, remover o excesso de metal, obter um acabamento de superfície de alta qualidade e garantir a temperatura e a velocidade ideais do metal fundido para preenchimento uniforme devem ser cuidadosamente considerados.
Vamos explorar um processo típico de fundição em areia com mais detalhes:
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Criação de moldes: O molde é criado usando um padrão, que é uma réplica do produto desejado. O padrão pode ser feito de um material ou processo diferente, como usinagem ou manufatura aditiva, mas tem o mesmo formato e dimensões do produto final. Vários moldes podem ser criados usando um único padrão.
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Criação do sistema de gating: O sistema de gating fornece um caminho para o metal fundido fluir para dentro da cavidade. Um sistema bem projetado pode ser crucial para a qualidade do produto. Ele também retém qualquer gás ou escória presente no metal fundido.
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Despejando o metal fundido: O metal fundido é despejado do topo para dentro da cavidade. O volume de metal usado excede ligeiramente o do produto para garantir que algum excesso de material seja armazenado nos risers.
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Solidificação em Fundição: Uma vez que a cavidade da matriz é preenchida, a fundição é deixada esfriar. Resfriamento natural ou forçado pode ser aplicado dependendo do metal e do processo.
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Shakeout e recuperação de areia: Shakeout é o processo de remoção das peças fundidas em areia do molde. A areia é sacudida e deslocada para separar a peça fundida solidificada, que é então enviada para operações de acabamento final, enquanto a recuperação da areia começa.
Vantagens da fundição em areia
Apesar do desenvolvimento de muitas tecnologias avançadas nas últimas décadas, a fundição em areia continua sendo um dos processos de fabricação de metal mais populares. Suas vantagens únicas a tornam indispensável no cenário de fabricação moderno. Hoje, a fundição em areia é frequentemente automatizada , aumentando sua adaptabilidade e eficiência para atender às demandas dos ambientes de produção contemporâneos. Aqui estão algumas vantagens importantes que tornam a fundição em areia um processo tão valioso:
Adequado para todos os tipos de produção
A fundição em areia é compatível com várias configurações de produção, permitindo produção em peça única, lote ou em massa . Este método é amplamente utilizado em indústrias como automotiva, defesa, agricultura, mineração, construção, saúde e energia renovável.
Na indústria automotiva, a fundição em areia é usada para desenvolver protótipos, blocos de motor, cabeçotes de cilindro e várias peças de motor IC. Sua aplicação também se expandiu para a fabricação de EV, onde a fundição em areia é empregada para produzir componentes estruturais, carcaças de motor, carcaças de bateria e muito mais.
Quase não há limitação de tamanho também. Produtos variando de alguns gramas a algumas toneladas em massa podem ser fundidos com precisão matemática.
Custo-eficiente
Um dos principais fatores que levam vários setores a adotar a tecnologia de fundição em areia é o custo. A fundição em areia é significativamente mais econômica em comparação a outros processos de fundição. A areia pode ser reutilizada para futuras fundições com processamento mínimo.
A automação na produção de alto volume também reduz o custo por peça, ao mesmo tempo em que garante qualidade consistente e confiável. A fundição em areia também incorre em baixos custos de ferramentas em comparação a outros métodos de fundição.
Adequado para todos os metais
A fundição em areia pode funcionar com quase qualquer liga de metal ferroso ou não ferroso . Exemplos incluem ouro, ferro, chumbo e titânio. O único requisito é que ele derreta e flua como um metal líquido para dentro do molde. Essa flexibilidade permite que as fundições trabalhem com uma ampla gama de metais sem exigir modificações significativas no processo ou no equipamento.
Processo rápido
Embora processos como a fundição centrífuga possam ser mais eficientes para formatos específicos, a fundição em areia oferece tempos de resposta rápidos tanto para prototipagem quanto para aplicações em larga escala.
Limitações da fundição em areia
Todos os processos de fabricação envolvem compensações. No caso da fundição em areia, no entanto, essas compensações são mínimas em comparação aos benefícios. Vamos examinar algumas dessas limitações:
Acabamento superficial ruim
Má qualidade da areia e desvios de processo podem, às vezes, resultar em um acabamento superficial ruim em fundições de areia. Qualquer quebra no molde de areia pode levar a uma superfície áspera. Para produtos que precisam de um acabamento superficial de alta qualidade sem pós-processamento extensivo, fundição sob pressão e fundição de investimento são frequentemente preferidas, mas a fundição em areia também pode produzir acabamentos refinados com a areia e os processos certos.
Controle frouxo das taxas de resfriamento
Embora as taxas de resfriamento possam ser controladas de forma mais eficaz em muitos processos de fabricação de metal , o mesmo não pode ser dito para fundição em areia. A areia,
