Materiais de Fundição 101

Guia Simples para Fundição de Metal

  • Processo de fundição de metal tem mais de 7.000 anos de história que é usado na fabricação. É definido como o processo no qual o metal fundido é derramado em um molde que contém uma cavidade oca de forma desejada.
  • A fundição de metal pode ser dividida em dois grupos pela natureza básica do projeto do molde. ou seja, moldes descartáveis ​​e moldes permanentes. Ele pode ser subdividido em grupos, dependendo do material do padrão.
  • Fundidos de alta engenharia são encontrados em 90% dos bens duráveis, incluindo carros, caminhões, aeroespacial, trens, equipamentos de mineração e construção, poços de petróleo, eletrodomésticos, tubos, hidrantes, turbinas eólicas, usinas nucleares, dispositivos médicos, produtos de defesa, brinquedos e mais.

O ferro fundido cinzento é um dos materiais de fundição mais utilizados na fabricação industrial. Representando uma grande parte dos mercados de fornecimento de fundição, é uma substância forte e versátil. O ferro cinzento pode ser usinado facilmente, testado quanto à qualidade sem usar métodos destrutivos, formulado para atender a requisitos específicos de aplicação e é econômico em grandes volumes.

O aço fundido é um material de fundição resistente adequado para peças que serão submetidas a desgaste excepcional, choque ou cargas pesadas. É útil por sua resistência à corrosão em ambientes aquosos e para aplicações que envolvem temperaturas elevadas. O aço é frequentemente misturado com cromo, ferro e níquel para melhorar ainda mais sua resistência à corrosão ou ao calor.

Um dos benefícios mais significativos da fundição de alumínio é que ela cria peças mais leves – com mais opções de acabamento de superfície do que outras ligas fundidas. Além disso, o alumínio fundido é versátil, resistente à corrosão, mantém alta estabilidade dimensional com paredes finas e pode ser usado em praticamente qualquer indústria.

As ligas de cobre fundido possuem alta resistência à tração e compressão, possuem boas qualidades de desgaste quando submetidas ao contato metal-metal, são facilmente usinadas, possuem boa condutividade térmica e elétrica e alta resistência à corrosão para maximizar o desempenho do produto. É mais utilizado na área de artes plásticas.

Coisas a considerar ao escolher materiais de fundição


A seleção dos materiais adequados para o molde e o molde para um projeto específico pode ser uma preocupação importante. Alguns dos fatores a serem considerados ao tomar uma decisão de elenco incluem:

Esses fatores determinam o possível conjunto de ligas metálicas que podem ser utilizadas na fundição do componente. Também pode ser que a identificação da liga mais apropriada exclua alguns dos processos de fundição disponíveis, mesmo nesta fase inicial. Se fosse decidido, por exemplo, que um dos Aços Inoxidáveis ​​fundidos ou Ferros Fundidos era a liga mais adequada, isso impediria o uso de Fundição sob pressão.

Além disso, o designer terá que trabalhar dentro de outros parâmetros em relação ao material apropriado para selecionar. Estes podem incluir o custo do material, o custo de fabricação, o peso do produto final, o tamanho do produto e a faixa de temperatura que o material selecionado pode suportar.

Ferro

O ferro fundido é um grupo de ligas ferro-carbono com teor de carbono entre 2% – 4%, juntamente com quantidades variáveis ​​de silício e manganês e traços de impurezas como enxofre e fósforo. Sua utilidade deriva de sua temperatura de fusão relativamente baixa. Os constituintes da liga afetam sua cor quando fraturados: o ferro fundido branco tem impurezas de carboneto que permitem que as rachaduras passem diretamente, o ferro fundido cinzento tem flocos de grafite que desviam uma rachadura passageira e iniciam inúmeras novas trincas à medida que o material se rompe, e o ferro fundido dúctil tem forma esférica “nódulos” de grafite que impedem a progressão da rachadura.

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Ferro fundido

Embora tanto o aço quanto o ferro fundido contenham traços de carbono e pareçam semelhantes, existem diferenças significativas entre os dois metais. O aço contém menos de 2% de carbono, o que permite que o produto final se solidifique em uma única estrutura microcristalina. O maior teor de carbono do ferro fundido significa que ele se solidifica como uma liga heterogênea e, portanto, possui mais de uma estrutura microcristalina presente no material.

Ferro cinzento Quando o metal é fraturado, a quebra ocorre ao longo dos flocos de grafite, o que lhe confere a cor cinza na superfície do metal fraturado. O nome ferro cinzento vem dessa característica.
O ferro cinzento não é tão dúctil como outras formas de ferro fundido e sua resistência à tração também é menor. No entanto, é um melhor condutor térmico e tem um maior nível de amortecimento de vibrações. Tem uma capacidade de amortecimento 20 a 25 vezes superior ao aço e superior a todos os outros ferros fundidos. O ferro fundido cinzento também é mais fácil de usinar do que outros ferros fundidos, e suas propriedades de resistência ao desgaste o tornam um dos produtos de ferro fundido de maior volume.
Ferro branco Quando o ferro branco é cortado, a face fraturada aparece branca devido à ausência de grafite. A estrutura microcristalina de cementita é dura e quebradiça com alta resistência à compressão e boa resistência ao desgaste. Em certas aplicações especializadas, é desejável ter ferro branco na superfície do produto. Isso pode ser conseguido usando um bom condutor de calor para fazer parte do molde. Isso extrairá o calor do metal fundido rapidamente dessa área específica, enquanto o restante da peça esfria a uma taxa mais lenta.
Um dos tipos mais populares de ferro branco é o Ni-Hard Iron. A adição de ligas de cromo e níquel confere a este produto excelentes propriedades para aplicações de baixo impacto e abrasão por deslizamento.
Ferro maleável O ferro branco pode ser transformado em ferro maleável através de um processo de tratamento térmico. Um programa estendido de aquecimento e resfriamento resulta na quebra das moléculas de carboneto de ferro, liberando moléculas de grafite livres no ferro. Diferentes taxas de resfriamento e a adição de ligas produzem um ferro maleável com estrutura microcristalina.
Ferro dúctil (ferro nodular) O ferro dúctil, ou ferro nodular, obtém suas propriedades especiais através da adição de magnésio na liga. A presença de magnésio faz com que o grafite se forme em forma de esferóide em oposição aos flocos de ferro cinzento. O controle de composição é muito importante no processo de fabricação. Pequenas quantidades de impurezas como enxofre e oxigênio reagem com o magnésio, afetando a forma das moléculas de grafite. Diferentes graus de ferro dúctil são formados pela manipulação da estrutura microcristalina ao redor do esferóide de grafite. Isto é conseguido através do processo de fundição, ou através do tratamento térmico, como uma etapa de processamento posterior.

Aço

A composição química do aço fundido tem uma influência significativa nas propriedades de desempenho e é frequentemente usada para classificar o aço ou atribuir designações padrão. Os aços fundidos podem ser divididos em duas grandes categorias: aços fundidos de carbono e aços fundidos ligados.

  • Os aços fundidos ao carbono podem ser classificados de acordo com seu teor de carbono. O aço fundido de baixo carbono (0,2% de carbono) é relativamente macio e não é facilmente tratável termicamente. O aço fundido de médio carbono (0,2-0,5% de carbono) é um pouco mais duro e passível de fortalecimento por tratamento térmico. O aço fundido de alto carbono (0,5% carbono) é usado quando se deseja dureza máxima e resistência ao desgaste.
  • Alloy steel is categorized as either low or high-alloy. Low-alloy cast steel (≤ 8% alloy content) behaves similarly to normal carbon steel, but with higher hardenability. High-alloy cast steel (> 8% alloy content) is designed to produce a specific property, such as corrosion resistance, heat resistance, or wear resistance.
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Aço de liga (aço inoxidável incluído)

As ligas não ferrosas têm excelente usinabilidade, e a maioria é mais leve que a família do ferro, mas não tem a resistência e a tenacidade necessárias para muitas aplicações severas.

Common high-alloy steels include stainless steel (> 10.5% chromium) and Hadfield’s manganese steel (11–15% manganese). The addition of chromium, which forms a passivation layer of chromium oxide when exposed to oxygen, gives stainless steel excellent corrosion resistance. The manganese content in Hadfield’s steel provides high strength and resistance to abrasion upon hard working.

304 Aço inoxidável austenítico com teor de Ni superior a 8%, liga de grau alimentício, pode ser usado para fundir componentes de aço inoxidável para aplicações domésticas e comerciais. É o material de fundição de aço inoxidável mais utilizado. As fundições de aço inoxidável 304 podem ser usadas em ambientes onde o ar é menos corrosivo.
316 Também aço inoxidável austenítico com teor de Ni superior a 10%. Por seu maior teor de Ni, as peças fundidas de aço inoxidável 316 têm melhor resistência à corrosão do que as peças fundidas de aço inoxidável 304. Tais fundidos de aço inoxidável são mais adequados para o ambiente marinho com condições de ar relativamente severas ou materiais químicos que precisam ser contatados.
304L / 316L As propriedades mecânicas são próximas às dos materiais 304 e 316. L representa menor teor de carbono, o que torna o material mais dúctil, tem bom desempenho de soldagem e tem resistência à corrosão mais confiável. O preço é superior ao de materiais do mesmo grau.
410 & 416 A série 400 pertence ao aço inoxidável martensítico, caracterizado por alta resistência, bom desempenho de processamento e alta dureza de tratamento térmico e não contém Ni, portanto, a resistência à corrosão é fraca.
17-4 PH 17-4 pertence ao aço inoxidável martensítico com teor de Ni de 3%-5% e boa resistência à corrosão. Possui a maior resistência da série de aço inoxidável e geralmente é usado para produtos e componentes que não são propensos a deformações.
2205 O aço inoxidável duplex 2205 é um aço inoxidável composto composto por 22% de cromo, 2,5% de molibdênio e 4,5% de níquel-nitrogênio. Possui alta resistência, boa tenacidade ao impacto e boa resistência geral e local à corrosão sob tensão.

Alumínio

Um dos benefícios mais significativos da fundição de alumínio é que ela cria peças mais leves – com mais opções de acabamento de superfície do que outras ligas fundidas. Claro, muitos engenheiros o escolhem porque o material é fácil de usinar e cortar. Além disso, o alumínio fundido é versátil, resistente à corrosão; mantém alta estabilidade dimensional com paredes finas e pode ser usado em praticamente qualquer indústria.

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Ligas de alumínio

Existem oito ligas de alumínio diferentes, que são numeradas de um a oito. Os três primeiros números indicam a liga com a qual o alumínio foi combinado. Para ligas de fundição, um decimal é colocado entre o terceiro e o quarto dígito com o quarto número indicando a forma do produto. Como um indicador adicional, cada liga recebe um número de rachadura, corrosão, acabamento e união de um a cinco, sendo um o melhor e cinco o pior. As ligas da série 1000 têm uma classificação de um em todas as categorias, enquanto a série 8000 tem uma classificação de cinco em todas as categorias.

Série 1000 A série 1000 é a mais pura das ligas com 99% de teor de alumínio. É macio e dúctil com excelente trabalhabilidade. A série 1000 pode suportar formação extrema, pois endurece lentamente. É facilmente soldável e tem um bom desempenho durante o processamento.
Série 2000 A série 2000 é ligada com cobre contendo 2% a 10% de cobre e pequenas adições de outros elementos. O cobre aumenta a resistência e a dureza do alumínio, mas reduz sua ductilidade e resistência à corrosão. A série 2000 é difícil de soldar, mas tratável termicamente.
Série 3000 O elemento de liga primário para a série 3000 é o manganês. A combinação de manganês com alumínio tem boa resistência à corrosão, mas é moderadamente forte. É uma liga de alumínio não reforçada que foi tratada termicamente. Os principais benefícios da série 3000 são sua baixa densidade, boa plasticidade e soldabilidade, resistência à corrosão, ductilidade e superfície com acabamento excepcionalmente liso.
Série 4000 A série 4000 é ligada com silício, o que confere à liga um baixo ponto de fusão e melhora sua fluidez. É uma das ligas de fundição mais populares devido à facilidade de formação em seu estado fundido. A série 4000 é usada como enchimento de soldagem e brasagem.
Série 5000 A série 5000 é ligada com magnésio, o que lhe confere excepcional resistência à tração e formabilidade. É classificado como uma liga de chapa e chapa de alta resistência com alta soldabilidade. A preferência da série 5000 para aplicações em chapas metálicas deve-se à sua resistência a ácidos e corrosão alcalina. Essas características tornam a série 5000 adaptável a ambientes hostis.
Série 6000 A série 6000 é ligada com magnésio e silício, o que confere à liga resistência, propriedades mecânicas e resistência à corrosão. Algumas versões da série 6000 são combinadas com as séries 4000 e 5000 para melhorar as propriedades da série 6000. O processamento da série 6000 requer equipamentos especializados tecnologicamente avançados, complexos e caros. Além de sua excelente resistência à corrosão e oxidação está a facilidade com que pode ser revestido e tratado, bem como sua trabalhabilidade.
Série 7000 A série 7000 de ligas de alumínio é a mais forte e resiliente das ligas com um fator de resistência que é dois terços do aço A3 de grau industrial. Devido à sua alta dureza, a série 7000 possui excepcional resistência ao desgaste, boas propriedades mecânicas e reação anódica. É ideal para fundir peças que precisam suportar uma grande quantidade de estresse, como componentes de aeronaves. O zinco é a liga do alumínio 7000, o que ajuda a aumentar sua dureza, embora o zinco tenha a mesma dureza que o alumínio na escala de Mohs.
Série 8000 A liga primária da série 8000 é o estanho com pequenas quantidades de cobre e níquel. Embora esta liga tenha baixa resistência, possui excelente usinabilidade e resistência ao desgaste. A configuração das ligas para a série 8000 muda de acordo com a forma de utilização do produto a ser produzido. Sua configuração determina o desempenho de temperatura, densidade e rigidez do metal.

Cobre

As ligas de cobre fundido possuem alta resistência à tração e compressão, possuem boas qualidades de desgaste quando submetidas ao contato metal-metal, são facilmente usinadas, possuem boa condutividade térmica e elétrica e alta resistência à corrosão para maximizar o desempenho do produto. É mais utilizado na área de artes plásticas.

Porque é fácil de fundir, tem uma longa história de uso bem sucedido, está prontamente disponível a partir de uma infinidade de fontes, pode atingir uma variedade de propriedades físicas e mecânicas e é facilmente usinado, soldado, polido ou chapeado.

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Fundição de ligas de cobre

O cobre puro é extremamente difícil de fundir, além de ser propenso a rachaduras na superfície, problemas de porosidade e à formação de cavidades internas. As características de fundição do cobre podem ser melhoradas pela adição de pequenas quantidades de elementos, incluindo berílio, silício, níquel, estanho, zinco, cromo e prata.

As ligas de cobre fundido são usadas para aplicações como rolamentos, buchas, engrenagens, conexões, corpos de válvulas e componentes diversos para a indústria de processamento químico. Essas ligas são vazadas em muitos tipos de fundição, como areia, casca, investimento, molde permanente, areia química, centrífuga e fundição sob pressão.

Bronzes Os latões são ligas de cobre nas quais o zinco é a principal adição de liga.
Os latões também podem conter quantidades especificadas de chumbo, estanho, manganês e silício.
Quanto menor o teor de zinco nas ligas de cobre-estanho-(chumbo)-zinco, mais parecidas com o cobre, ou “vermelhas”, elas parecem.
Bronzes O termo “bronze” originalmente se referia a ligas nas quais o estanho era o principal elemento de liga.
Bronzes de estanho oferecem excelente resistência à corrosão, resistência razoavelmente alta e boa resistência ao desgaste. Usados ​​em mancais de deslizamento, eles se desgastam especialmente bem em aço.
Monel/ Cuproníquel Os bronzes de níquel-estanho são caracterizados por resistência moderada e resistência à corrosão muito boa, especialmente em meio aquoso. Um membro desta família, C94700, pode ser endurecido por envelhecimento para resistências típicas de tração tão altas quanto 75 ksi (517 MPa). A resistência ao desgaste é particularmente boa. Assim como os bronzes de estanho, os bronzes de níquel-estanho são usados ​​para rolamentos, mas essas ligas versáteis encontram aplicação mais frequentemente como componentes de válvulas e bombas, engrenagens, garfos de mudança e peças de disjuntores.