Alumínio: Processo de produção (fundição) 

31 razões para usar fundidos de Alumínio

 

É um dos primeiros processos industriais utilizados na produção de artigos de metal. As propriedades do alumínio e a tecnologia moderna oferecem excelentes condições, com controles científicos adequados, para que se possa produzir grandes quantidades de peças mantendo uma qualidade uniforme. O mercado conta com excelentes ligas de alumínio que proporcionam uma grande variedade de propriedades para as peças fundidas. As principais são:

– Baixa temperatura de fusão;

– Forte tendência à oxidação;

– Baixa densidade;

– Alta condutividade térmica;

– Elevado coeficiente de dilatação.

O vazamento de metal líquido em moldes de areia é uma das mais antigas artes industriais. Ainda é utilizado quando as peças fundidas são requeridas em pequenas quantidades, de tamanho excepcionalmente grande ou muito intricadas. Peças com melhor acabamento superficial são produzidas pela fundição em matriz por gravidade. O metal é vazado dentro de uma matriz de ferro ou de aço. Este processo torna-se econômico quando há uma demanda para um número considerável de peças.

Para grandes volumes de peças, a fundição em matriz sob pressão é a mais vantajosa. O metal é forçado a penetrar em matrizes de aço sob a força de pressão hidráulica. Os fundidos com grande precisão de detalhes são produzidos desta forma. O método tem sido cada vez mais empregado em peças fundidas até o tamanho de blocos de cilindros.

Por outro lado, quando um alto grau de precisão dimensional é requerido, mas o número de peças é relativamente pequeno, é utilizado um processo mais antigo: a cera perdida. Nele, um modelo consumível é revestido com uma fina camada refratária, a qual é subseqüentemente endurecida em estufa para formar o molde. A figura abaixo mostra uma série de peças fundidas.

As peças fundidas de alumínio têm suas principais aplicações na área automotiva e de transportes, que representam cerca de 60% do consumo do alumínio neste segmento. Como exemplo, pode-se citar blocos de motor, caixas de câmbio, carcaça de motores e rodas para automóveis e veículos pesados, entre outros.

A fundição pode ser feita por gravidade, com uso de areia ou molde metálico, e sob pressão, (alta ou baixa). Além desses há também processos especiais, com cera perdida e fundição centrifugada.

Fundição em areia

É um processo que pode ser feito por moldagem em areia verde e em cascas de Shell, cura a frio, com dióxido de carbono e loast foam. Areias verdes são areias aglomeradas com argila no estado úmido. Esse material é constituído por granulados refratários chamados de areias-base e por um produto com capacidade de coesão e plasticidade – o aglomerante – que neste caso é a argila. As areias de fundição podem ser naturais, semi-sintéticas (com adições para correção ou melhoria das propriedades naturais) e sintéticas (obtida pela mistura dos constituintes básicos isoladamente tais como areia, aglomerantes, aditivos e plastificantes).

Fundição em coquilha

Feito por gravidade, esse processo consiste em obter peças por meio do vazamento do metal líquido em um molde metálico, também chamado de coquilha. A introdução do metal é essencialmente determinada pela força da gravidade.

Fundição sob pressão

Consiste na injeção de um metal líquido contido em um recipiente (câmara de injeção) para o interior da cavidade de um molde fabricado em aço, por meio de um pistão. Na primeira fase, o ar é eliminado da câmara de injeção. Depois, há um rápido preenchimento da cavidade do molde para evitar o resfriamento do metal. A última etapa é a compactação do metal para diminuir o volume das microporosidades decorrentes da contração de solidificação do metal.

Tixofundição

Também chamado de fundição de ligas semi-sólidas de alumínio, o processo é novo no Brasil, mas já é utilizado em larga escala em países desenvolvidos como Japão, Estados Unidos, Alemanha e Itália. A tecnologia utiliza, ao invés de alumínio líquido, o metal em “pasta”, evitando o desgaste no contato entre o metal e o molde e aumentando a produtividade. As principais aplicações desse processo se dão na indústria automotiva, na fabricação de peças como suspensões, carcaças e discos de embreagem, entre outras.

A técnica é usada desde 1982 e tem como uma de suas principais vantagens o menor desgaste das peças usadas no processo. Por ser um material 60% sólido e 40% líquido, a fundição de semi-sólidos permite um menor atrito entre o molde e o metal, aumentando sua vida útil e, conseqüentemente, a produtividade. Com isso, o material fundido não apresenta porosidades, tampouco segregação de elementos de liga, oferecendo um resultado de melhor qualidade ao produto final.

A tixofundição é usada na produção de componentes como suporte de suspensão (traseira e dianteira), bandejas de suspensão, carcaças de sistema de injeção eletrônica, caixa de direção, carcaças de cilindro mestre, disco de embreagem, entre outras. Num exemplo prático, o uso do processo de fundição de ligas semi-sólidas de alumínio permite que uma peça como o suporte do motor tenha seu peso reduzido de 5 kg para 3 kg com a tixofundição.

Veja as 31 razões para usar fundidos de alumínio

1. Redução de peso

O trem de alta velocidade ICE incorpora a mais moderna tecnologia, mas o protótipo era muito pesado. A substituição de fundidos de ferro maleável e aço pelos fundidos de alumínio resultou em uma redução de peso total de 6,1 toneladas por trem e ao mesmo tempo reduziu a carga sobre os rolamentos do eixo das duas locomotivas.
Um exemplo é a peça bipartida da caixa de transmissão de 196 quilos, fundida em areia, com Alufont-52 (AICu4Ti) e envelhecida artificialmente. Ela tomou o lugar de uma carcaça de 578 quilos de aço. Com quatro caixas de transmissão por locomotiva, a redução de peso total foi de 3,3 toneladas por trem. Além disso, devido a melhor condutividade térmica do alumínio, a temperatura do óleo da caixa de transmissão pode ser limitada a 80–90 °C, tornando obsoleto o resfriador de óleo.

2. Baixo momento de inércia

Um baixo momento de inércia é um requisito importante para peças com movimentos lineares ou rotacionais e acelerações e desacelerações rápidas, como é o caso de robôs e equipamentos de transporte de alta velocidade.
Está ilustrado um componente de uma prensa de alta velocidade para conformação de chapas do corpo do automóvel. O componente de aço foi substituído por uma peça de 439 quilos artificialmente envelhecida, na liga de alumínio Alufont-52 (AICu4Ti), fundida em areia. Para prensas maiores, esses componentes fundidos podem pesar até uma tonelada.

3. Bom balanceamento

Uma bobina de suporte da linha de uma máquina têxtil que guia linha a altas velocidades requer uma construção extremamente leve com um balanceamento perfeito. Quando feita por estampagem profunda em chapa de aço, a bobina não atendeu a esses requisitos. O problema foi resolvido por uma liga de Silafont-35 (AISi10Mg), fundida a alta pressão, com proteção superficial a plasma contra desgaste, com AI2O3 e TiO2.

4. Absorção de vibração

Juntas de metal–borracha de peças móveis de uma engrenagem motora de veículo, que absorve vibrações da estrada, têm o núcleo do rolamento feito de alumínio, pois suportam os esforços. Eles substituíram o ferro e melhoraram substancialmente a absorção de vibrações. Devido às altas forças de compressão e tendo em vista o grande volume requerido, esses núcleos são feitos de Unifont-94 (AIZn10Si8Mg) e fundidos a alta pressão. A liga é auto-envelhecida e reassume a sua resistência original após a vulcanização.

5. Resistência à fadiga

Porcas de plástico para acoplamentos de mangueiras têm 80 milímetros de diâmetro interno. Elas se quebravam depois da montagem e foram substituídas por fundidos de Silafont-09 (AISi9), fundidos a alta pressão.
Os acoplamentos plásticos para máquinas de lavar freqüentemente se tornam quebradiços e estão sendo substituídos por fundidos de alumínio a alta pressão feitos de Peraluman-90 (AIMg9).

6. Ductibilidade

O fundido de alumínio dúctil automaticamente reduz os picos de tensão produzidos pela tensão de impacto. Uma caixa de controle de elevador sujeita a uma pressão pulsante de até 400 bar, que era feita a partir de um fundido de ferro, foi substituída por um fundido feito em molde permanente com o material Unifont-90 (AIZn10Si8Mg).

7. Resistência dinâmica

Os fundidos de alumínio são apropriados para peças que estejam sujeitas a tensões de vibração sobre tração. Por essa razão, todas as peças de aço de transporte de carga em vagões ferroviários podem ser substituídas por fundidos de alumínio. Uma locomotiva, com a marca de Aludrive (movida a alumínio), contém 750 quilos de fundidos de alumínio, que dão uma economia em peso de 500 quilos. A unidade motora e o corpo do vagão repousam longitudinalmente sobre uma suspensão a ar com braços em balanço, em forma de caixa do rolamento de assentamento da roda. Devido ao alto esforço no braço, que serve também como câmara de ar para a suspensão, é utilizada uma liga de baixo ferro Alufont-52 (AICu4Ti), envelhecida artificialmente.

8. Alta deformação

Peças de segurança muito tensionadas não devem se quebrar sem deformação, o que destrói energia e evita a fratura quebradiça. A liga dúctil Alufont e as ligas de baixo ferro AlSi, como Silafont e Anticorodal, são usadas para peças de segurança. Em motores de carros, por exemplo, as aplicações incluem: sistemas de freios, suportes transversais de eixos dianteiros e traseiros e rodas de carros. A peça de freio mostrada foi mudada de um fundido de ferro maleável para um fundido de alumínio de uma liga de Alufont-47 (AICu4TiMg), envelhecida naturalmente.

9. Resistência à trinca e evolução lenta da trinca

Elementos de construção em ligas de alumínio dúcteis de alta resistência com boa resistência à trinca são indispensáveis para projetos de engenharia calculados para durar mais de 40 anos. Ligas dúcteis de alumínio de alta resistência possibilitam construções leves que não apenas simplificam projetos tradicionais, mas também possibilitam funções adicionais. A estrutura completamente fabricada em aço de um truque de vagão ferroviário, por exemplo, pode ser reduzida a uma liga de Alufont-52 (AICu4Ti), do suporte transverso principal, artificialmente envelhecida e acoplada às extremidades.

10. Ausência de fragilização a temperaturas muito baixas

Materiais de ferro apresentam uma queda expressiva na ductibilidade em baixas temperaturas, mas os fundidos de alumínio não mostram essa fragilização a temperaturas extremamente baixas. Dessa forma, eles são usados em condutores elétricos de ferrovias montanhosas, aviões e sistemas de transporte de gases liquefeitos.

11. Boa formação de bordas

Fundidos dúcteis de alumínio podem ser facilmente conformados nas bordas, facilitando o projeto de construções mistas como carcaças de amortecedores. Um disco de aço é colocado na matriz da máquina de fundição de alumínio a alta pressão e ao seu redor é fundida a borda de alumínio, e a superfície da borda suporta todas as forças. A liga Silafont-09 (AISi9) atende a esses requisitos.

12. Estabilidade de Forma

Mesmo fundidos a alta pressão com paredes muito finas oferecem excelente estabilidade de forma e, por isso, substituem peças de plástico e de aço. Capas de plástico de motores de carros e algumas capas de plástico de refletores traseiros de carros não têm a necessária estabilidade de forma. Elas têm sido substituídas pelo material Silafont-09 (AISi9), em fundidos a alta pressão. A estrutura da base de um computador precisa garantir uma estabilidade de forma que não pode ser conseguida por uma chapa de aço. Uma alta estabilidade de forma é requerida porque os eixos, que são montados nos furos, apenas permitem desvios mínimos de paralelismo entre si durante o serviço, que inclui trabalho entre temperaturas de 20 a 70 °C. Fundidos de Silafont-09 (AISi9) atendem a estas condições.

13. Resistência ao desgaste

Em motores a combustão, peças de ferro fundido estão sendo substituídas por ligas de alumínio hipereutéticas de alta resistência ao desgaste, tais como o Silafont-70 (AISi12CuNiMg), o Silafont-90 (AISi17Cu4Mg) ou o Silafont-92 (AISi18CuNiMg). Fundidos de ferro sujeitos a desgaste também estão sendo substituídos por fundidos de alumínio, sempre que a zona de desgaste é protegida por um spray de plasma, como as extremidades de garfos de mudança de engrenagens. As bombas para o sistema de servodireção foram modificadas de ferro fundido para o material Silafont-90 (AISi17Cu4Mg), reduzindo o seu peso em 65%. Além disso, a pressão de serviço pode ser aumentada em 55%. São mostradas aqui a caixa da bomba e os flanges da bomba. Ambas foram feitas com Silafont-90 (AISi17Cu4Mg), fundidos à alta pressão.

14. Soldando de fundidos de alumínio com outros materiais de alumínio

Nos carros esportivos da linha Z1 da BMW, um suporte tubular combina a transmissão e a engrenagem motora em uma única unidade montada. O torque é transmitido por um eixo motor de peça única, da caixa de câmbio para o eixo traseiro motor. O suporte tubular é uma peça de AIMgSi1 extrudada para o diâmetro de 120 milímetros, com o comprimento de 850 milímetros, no qual estão soldados o eixo traseiro motor e a caixa de câmbio. A soldagem é feita pelo processo a plasma WIG, com o uso de SG-AISi5 como material de enchimento.

15. Distribuição de tensões

Devido à distribuição favorável da tensão em um fundido de alumínio sob esforço, praticamente não existem os picos de tensão que ocorrem em construções soldadas. Por essa razão, uma peça de um dispositivo de salvamento foi mudada de um projeto com aço St52 para o material Alufont-52 (AICu4Ti), fundido em areia e envelhecido artificialmente. Além disso, o peso foi reduzido de 8,9 quilos para 3 quilos e o custo de produção foi reduzido em 28%.

16. Soldando fundidos de alumínio com ferro e cobre com elementos intermediários de ligação

Com elementos intermediários de ligação, materiais de natureza tão diferentes como o aço e o alumínio podem ser soldados. Os elementos intermediários são seções ou placas de compostos de alumínio–aço produzidos por extrusão ou laminação. Aqui está apresentado um elemento de junção intermediária com a peça de aço, depois de um ensaio de dobramento. A despeito da alta deformação, a camada de união não foi destruída.

17. Soldagem de fundidos de alumínio com outros materiais de alumínio

A empresa Alusuisse desenvolveu uma liga Aluman-16 (AIMn1,6) para a soldagem do alumínio. Devido ao alto intervalo de solidificação (645–660 °C), os fundidos de Aluman-16 são convenientes para serem soldados em fornos de banho de sal em produções de alto volume. Essas conexões de radiadores de automóveis asseguram a produção econômica dos radiadores.

18. Insertos fundidos

Peças de uma embreagem hidráulica de automóvel, fundida em ferro, foram reduzidas em número com a aplicação de fundidos a alta pressão no material Silafont-09 (AISi9) com insertos fundidos com núcleo de aço nitretado. Eles precisam manter uma precisão de rotação de 0,2 milímetros após a fundição.

19. Economias de projetos com fundidos de alumínio

Os fundidos de alumínio freqüentemente são bons substitutos de projetos com rebites, usinagens, parafusos e montagens. Por exemplo, o suporte dos flaps de aterrissagem de um avião Airbus 320 é um fundido de precisão que substituiu um projeto com rebites composto de várias peças. Os custos de produção foram reduzidos em mais de 60%. Além disso, os custos de proteção contra corrosão e de manutenção foram eliminados.
O suporte para os porta-bagagens centrais dos Airbus A300 e A310 foram usinados a partir de uma placa de alumínio esticada, mas agora foram substituídos por um fundido em molde permanente em Anticorodal-72 (AISi7Mg0,6), artificialmente envelhecido. Os custos de produção foram reduzidos em 65%.

20. Condutividade térmica

Ligas de fundição de alumínio são usadas em motores a combustão devido à sua alta condutividade térmica. Essa propriedade também tem possibilitado outras aplicações. A carcaça do resfriador de um retificador elétrico tem que simultaneamente remover calor e assegurar a estanqueidade de um alto vácuo. Anteriormente era um conjunto soldado de cromo–níquel–aço, hoje é um fundido feito em areia a baixa pressão em Anticorodal-70 (AISi7Mg0,3), envelhecido artificialmente. O novo fundido resultou em uma melhoria de 55% no efeito de resfriamento, dessa forma o resfriador adicional, que era necessário no projeto anterior, foi eliminado. Devido à melhor estanqueidade, o vácuo pode ser reduzido em 0,01 para 0,0000001 bar. O custo foi reduzido em 22% e o peso em 35%.

21. Capacidade térmica

Os moldes para artigos de plástico, vidro e pneus são principalmente de alumínio devido à sua alta capacidade térmica, que é relativamente pequena em outros materiais. O alumínio tem substituído ligas de ferro e zinco em tais aplicações. Um molde de ferro fundido foi substituído por um de Anticorodal-70 (AISi7Mg0,3), envelhecido artificialmente.

22. Não inflamável

Diferentemente do magnésio, o alumínio não é inflamável. Por essa razão é usado em aquecedores estacionários de carros modernos, em que o alumínio está em contato direto com a chama do maçarico. O fundido a alta pressão usado é feito de Silafont-09 (AISi9), uma liga que não requer tratamento térmico.

23. Condutividade elétrica

Ligas de alumínio de Anticorodal-04 e de Anticorodal-71, superenvelhecidas, estão substituindo elementos em condutores da classe cobre e fundidos em cromo–cobre para sistemas de alta voltagem e para disjuntores. Estão ilustrados: um condutor para sistemas de alta voltagem em Anticorodal-04 (AISi0,5Mg) e um suporte de contato para interruptores em Anticorodal-71 (AISi7Mg0,3).

24. Resistência ao curto-circuito

Para aplicações em novos condutores aéreos, a empresa alemã de ferrovias federais está especificando fundidos e extrudados de alumínio, no lugar de fundidos de ferro maleável e de aço estrutural. A resistência ao curto-circuito de fundidos de alumínio é muito importante devido às correntes de curto-circuito extremamente altas, que ocorrem em seções de túneis onde partes das estruturas são aquecidas. Com fundidos de ferro maleável, um aumento de curta duração de temperatura até 350 °C é permissível. No caso do alumínio, o permissível é de apenas 125 °C. A corrente de curto-circuito leva duas vezes o tempo para o alumínio do que ela leva para o ferro maleável, para alcançar o limite permissível. O risco de perda de resistência mecânica, desta forma, é mais reduzido para os fundidos de alumínio do que para os de ferro maleável. Um curto-circuito de 35 kA e duração de 120 milissegundos produz marcas nas conexões entre fundidos de ferro maleável e de aço, mas não afeta as peças de alumínio. Nos fundidos de ferro maleável os fios metálicos dos cabos se tornam recozidos, mas isso não ocorre nos fundidos de alumínio. São apresentados fundidos em moldes permanentes na liga Anticorodal-70 (AISi7Mg0,3), parcialmente sub-envelhecida, que estão substituindo moldes fundidos de ferro maleável branco.

25. Resistência à corrosão

Na indústria de equipamentos e aparatos de combate ao fogo, as ligas de Anticorodal e Peraluman têm substituído ligas de ferro e de cobre devido à sua boa resistência à corrosão. A figura mostra uma tampa de poço de aeroporto, feita com Anticorodal-70 (AISi7Mg0,3), envelhecido artificialmente, para uma carga permissível de 100 toneladas. Ela substituiu um fundido de ferro. O problema de corrosão foi resolvido e ficou possível o seu manuseio por um único homem.

26. Resistência à água do mar

Fundidos de Peraluman (ligas de baixo ferro e isentas de cobre de AlMg) são usadas na construção naval. A âncora de um iate de navegação oceânica é fundida em Anticorodal-72 (AISi7Mg0,6), envelhecido artificialmente, e em Anticorodal-78 (AISi7Mg), parcialmente sub-envelhecida e polida a tambor.

27. Superfícies decorativas

Depois de polidos, os fundidos anodizados ou anodizados em cores – particularmente para as ligas de AIMg – produzem um efeito ótico especial. Como resultado, os fundidos de alumínio são preferidos para acabamentos de construção e de mobílias, instrumentos óticos, utensílios domésticos e objetos de arte. Exemplos são elementos fundidos de cortinas de parede e placas fundidas, que são os preferidos de muitos arquitetos em relação a materiais de pedra. Por razões decorativas as câmeras de cinema são montadas com fundidos de alumínio.

28. Capacidade de reflexão

Fundidos de alumínio em ligas livres de silício, como Peraluman e Alufont, oferecem uma alta reflexão e calor, com uma correspondente baixa absorção. Como resultado, as indústrias de aparatos de refletores e de aquecimento estão usando fundidos de alumínio.

29. Não toxicidade

Porque o alumínio não é tóxico, ligas de alumínio isentas de cobre com 0,5% de Fe, 0,05% de Cu e 0,05% de Ni são usadas nos equipamentos das indústrias alimentícias e estão substituindo ligas de aço inox em peças das indústrias de peixes e carnes. Outro exemplo é o fundido de uma rosca de transporte de uma prensa de manteiga no material Anticorodal-50 (AISi5Mg). O fundido atendeu a todas as exigências de higiene e de ausência de toxicidade.
Os valores máximos permitidos pela norma européia EN 601 na área de alimentação são Fe 2,0%, Cu 0,6% e Ni 3,0%, mas eles são muito altos e provocam corrosão quando em contato com alimentos. Além disso, 0,2% de antimônio (que é tóxico) são permitidos.

30. Qualidades de fresagem

Em operações de fresagem, o alumínio tem vantagens econômicas importantes sobre materiais de ferro, devido à maior velocidade de corte e um tempo de máquina menor. Uma peça de rolamento fundida em Anticorodal-70 (AISi7Mg0,3), envelhecida artificialmente, substituiu uma peça fundida de ferro. Ela reduziu o tempo de fresagem em 39% sobre o que era necessário com o ferro. O tempo por peça é de 6,32 minutos para a peça de alumínio e de 16,13 minutos para o fundido de ferro.

31. Fácil reciclagem

O alumínio pode ser facilmente separado do material retalhado. Com um material retalhado muito misturado, ainda assim é possível preparar ligas para as aplicações menos exigentes em especificações. Além disso, a fusão da sucata de alumínio requer somente 5% da energia necessária para produzir o alumínio primário.

Fonte:

Central da Fundição
Abal – Associação Brasileira do Alumínio