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FEUP – Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto DEMM – Departamento de Engenharia Metalúrgica e dos Materiais

Fundição II


Fundição II – Fundição Injectada Nuno Lourenço / Rui Moura 1

Índice I – Definição................................................................................................ 2

II – Processo................................................................................................. 2

III – Metais e ligas para fundição injectada................................................. 4

Ligas de Al....................................................................................... 4

IV – Máquinas para fundição injectada....................................................... 7

Funcionamento das máquinas.......................................................... 9

Dois tipos de máquinas em fundição injectada................................ 10

V – Moldes permanentes usados em fundição injectada............................. 16

Tipo de moldes................................................................................. 17

VI – Parâmetros em fundição injectada....................................................... 19

Temperatura do banho..................................................................... 19

Pressão de injecção.......................................................................... 19

Velocidade de injecção.................................................................... 20

Temperatura do molde..................................................................... 21

Lubrificante...................................................................................... 21

VII – Vantagens do processo....................................................................... 22

VIII – Desvantagens do processo................................................................ 23

IX – Aplicações............................................................................................ 24

X – Comentários.......................................................................................... 26

XI – Bibliografia.......................................................................................... 27

XII – Anexos................................................................................................ 28



I – Definição

Fundição injectada é um processo de fundição no qual o metal é introduzido sob

elevada pressão, no interior de uma moldação metálica. É considerado um processo de

precisão.[1]

II – Processo

Este processo de fundição consiste na injecção de um metal no estado líquido, a

elevada pressão e velocidade num molde metálico (permanente), seguido de

solidificação controlada (sob a acção dessa mesma pressão), para obter tolerâncias

apertadas, espessuras finas e formas relativamente complexas. Logo estamos perante um

processo de precisão. Esta técnica permite atingir uma elevada cadência de produção,

obter peças num curto espaço de tempo e com pouca maquinagem associada.

Dependendo do tamanho, forma e número de cavidades do fundido é possível produzir

centenas ou milhares de peças por hora.[1], [2], [3]

Figura 1 – Exemplo de uma peça em alumínio obtida por fundição injectada.[4]



Neste processo fabricam-se peças com pesos entre 50g até 20Kg. A precisão

dimensional obtida varia entre 0,05 – 0,04/25 mm. Relativamente à espessura mínima

possível de obter por este processo é de 2,5mm. Os valores de rugosidade superficial

são muito baixos e variam entre 0,4 a 3,2 µm. Devido às suas características este

processo de moldação aplica-se a uma grande série de peças (normalmente superiores a

5000). [1]



III – Metais e Ligas para fundição injectada

Os metais mais utilizados em fundição injectada são as ligas de Alumínio,

Zinco, Magnésio e algumas ligas de Cobre.

Das ligas acima referidas as ligas de Alumínio, Zinco e Magnésio são muito

utilizadas, enquanto que só algumas ligas de cobre são produzidas por este processo.[5]

Neste processo de fundição não se obtêm peças de ferro fundido nem de aço.

Devido às suas propriedades, facilidade de processamento e aplicações, as ligas

de Alumínio são as mais utilizadas em fundição injectada, assim convém realizar um

estudo mais aprofundado. [3]

Ligas de Alumínio

Ligas de Al–Si (hipoeutécticas) são muito importantes porque assim obtém-se

elevada fluidez, boa resistência mecânica associada a uma diminuição da contracção do

material.

Figura 2 – Diagrama de equilíbrio Al–Si. [3]



O ponto eutéctico das ligas Al–Si está situado para 11,7% de Si. Para ligas

hipereutécticas aumenta-se claramente a resistência ao desgaste.

As ligas de Al–Si–Cu permitem obter peças resistentes de fácil maquinação.

Os elementos de liga mais comuns em fundição injectada são: Si, Cu, Mg, Mn,

Fe, e Zn. [3]

Quando o teor em Si é baixo existe uma elevada aptidão à maquinagem. Para

ligas hipereutéticas (elevados teores de Si), altas taxas de impurezas e peças

com paredes grossas, existe o perigo da formação de cristais de Si que

diminuem o limite elástico, a resistência à tracção e a facilidade de

maquinagem;

O Mg aumenta a resistência mecânica, a resistência à corrosão e a dureza,

associada a uma excelente maquinação. No entanto diminui a fluidez do banho.

Quando associado ao Si estamos perante ligas susceptíveis de sofrerem

tratamento térmico;

O Fe aumenta a dureza e a resistência mecânica. Baixos teores de ferro podem

conduzir à “colagem” ao molde (soldadura). No entanto a partir de 0,6% de Fe

este perigo é baixo. O limite máximo de ferro está associado à diminuição da

elasticidade;

A adição de Mn vai equilibrar o efeito causado pela adição do Fe. O Mn evita a

formação de escória no interior do forno. As ligas de Al-Mn-Fe apresentam

elevado ponto de fusão, sendo usadas para esmaltagem. A maquinagem é

dificultada na presença do Mn associado ao Fe;

O Cu aumenta a capacidade calorífica do banho, aumentando um pouco a

dureza e a resistência. A desvantagem é que teores superiores a 3,8% e

associados ao P aumenta-se a probabilidade da formação de poros e rechupes.

A partir de 0,1% de Cu diminui-se a resistência à corrosão;



O Zn aumenta a maleabilidade. Para paredes finas (menores de 1,5mm) é

possível adicionar até 2,5% de Zn. Para teores mais elevados aumenta

consideravelmente a dureza e a resistência. No entanto a resistência à corrosão

diminuí a partir de 0,12%. [3]



IV – Máquinas para Fundição Injectada

Na fundição injectada as coquilhas estão aplicadas nos pratos (um fixo e outro

móvel) de uma prensa de fecho e abertura. Estão associados mecanismos automáticos

de desmoldação e dispositivos de vazamento próprios que nos conduzem para os dois

grandes tipos de máquinas utilizadas neste processo: [1]

Máquinas de câmara quente;

Máquinas de câmara fria.

As máquinas mais recentes possuem uma nomenclatura que é apresentada na

figura 3, no entanto podem existir algumas variações.

Figura 3 – Esquema dos diferentes elementos de uma máquina de fundição injectada. [3]

Legenda:

A – Placa impulsora;

B – Placa móvel;

C – Placa fixa;

D – Tirantes;

E – Sistema de alavancas;

F – Braço de fecho;

G – Base da máquina;

H – Sistema de injecção;

J – Meios moldes.



Figura 4 – Sistema de fecho de uma máquina para fundição injectada. [6]

Figura 5 – Exemplo de extractores usados em fundição injectada. [6]



Funcionamento das máquinas

O controlo das máquinas pode ser manual, semi-automático ou automático. No

início é aplicado desmoldante aos meios moldes com o objectivo de facilitar a extracção

do fundido evitando a sua colagem ao molde e ao mesmo tempo proteger os meios

moldes dos choques térmicos e da degradação atmosférica.

A solidificação do fundido é realizada dentro do molde durante alguns segundos,

sendo posteriormente aberto dando-se a remoção da peça através do robot extractor (ver

figura 5). Esta operação é auxiliada por pinos ejectores que se situam no meio molde

móvel, cuja função é separar o fundido da superfície do molde.

No final os meios moldes são lubrificados com o desmoldante e o excedente é

removido através de jactos de ar, repetindo-se assim um novo ciclo.

Os componentes da máquina de fundição injectada e do sistema de injecção são

de ferro fundido e de aço. Quando o metal fundido for agressivo para estes materiais o

contacto deve ser minimizado. Para os dois metais mais utilizados em fundição

injectada, o Al é agressivo enquanto que o Zn não o é, para as temperaturas do processo.

Assim existem diferenças de processamento: o zinco é vazado pelo processo de câmara

quente enquanto que o alumínio é vazado pelo processo de câmara fria.

O sistema de fecho permite a movimentação da placa móvel até à posição

programada pelo operador sendo aplicada uma elevada força no fecho do molde. Esta

operação é efectuada com o auxilio de uma bomba hidráulica, de um cilindro e de um

sistema de alavancas denominado “tesouras”.

Durante a operação de fecho do molde verificam-se subidas e descidas da

pressão. Estas variações correspondem à movimentação da placa móvel.

Na prática, a força de fecho tem que ser suficientemente grande para compensar

a pressão de saída do metal. Os equipamentos mais vulgares atingem valores de 250

ton. [1], [3], [7]



Dois tipos de máquinas em fundição injectada

As máquinas de câmara quente possuem uma manga de enchimento

mergulhada no banho metálico (assim o forno de manutenção do metal fundido é parte

integrante da máquina).

Figura 6 – Esquema de uma máquina de fundição injectada em câmara quente. [1]

Figura 7 – Diagrama do processo em câmara quente. [1]



Figura 8 – Esquema elucidativo do funcionamento de uma máquina de câmara quente.

O dispositivo de injecção (pistão) que se encontra no interior da camisa está

parcialmente imerso no metal fundido. O prolongamento da camisa estabelece uma

ligação física entre o forno e a moldação. Quando o pistão se encontra na posição mais

recuada a camisa está cheia de metal líquido. Ao ser accionado o pistão sob a acção de

uma pressão o metal líquido é introduzido na moldação e é mantida a pressão até

completa solidificação do cacho. No final o pistão recua permitindo novo enchimento,

simultaneamente dá-se a extracção do cacho.

Não existem problemas de turbulência e a exposição ao ar dos processos de

vazamento clássicos, porque o contacto do metal com a atmosfera é reduzido.

O pistão apresenta um tempo de vida limitado, porque está permanentemente em

contacto com o metal líquido.

A utilização destes equipamentos, devido à sua natureza, aplica-se a ligas de

baixo ponto de fusão (ligas de Zn e Mg). [1], [7]



Nas máquinas de câmara fria a principal característica é o facto de a camisa e

o pistão não estarem em contacto directo e permanente com o metal fundido. Existe um

forno independente no qual o metal líquido é mantido à temperatura desejada e

transportado através de uma colher de metal refractário (com funcionamento manual ou

mecânico) para a zona de injecção que está acoplada ao prato fixo da prensa.

Figura 9 – Esquema de uma máquina de fundição injectada em câmara fria. [1]

Figura 10 – Diagrama do processo em câmara fria. [1]



Figura 11 – Esquema elucidativo do funcionamento de uma máquina de câmara fria.

A sequência da operação apresenta os mesmos princípios de funcionamento

atrás descritos para fundição injectada em câmara quente.

Existe uma maior probabilidade de aparecimento de porosidades internas nos

fundidos, devido ao aprisionamento de ar durante o enchimento e solidificação, porque

é difícil evitar a turbulência neste tipo de máquinas durante o vazamento.

Como vantagem a câmara fria possibilita a injecção de ligas com ponto de fusão

mais elevado, sendo as mais utilizadas industrialmente as ligas de Al e Cu. [1], [8]



Exemplos de máquinas em fundição injectada:

Figura 12 – Máquina de fundição injectada em câmara quente para pressões até 125 ton. [8]

Figura 13 – Máquina de fundição injectada em câmara quente para pressões até 25 ton. [8]



Figura 14 – Máquina de fundição injectada em câmara fria para pressões até 220 ton. [8]



V – Moldes permanentes usados em fundição injectada.

Um molde para fundição injectada é muito complexo, apresentando placas porta

molde, molde propriamente dito, sistemas de arrefecimento e sistemas de controlo.

Figura 15 – Exemplo de um molde de fundição injectada. [1]

Estes moldes são formados por duas partes, meio molde fixo e meio molde

móvel, que são abertos na etapa de extracção do fundido.

Após a injecção, para poder manter a temperatura de funcionamento do molde é

necessário escoar o calor em excesso. A presença de canais de refrigeração dentro dos

quais circula água (utilizada quando é necessário arrefecimento) ou óleo térmico

(utilizado quando é necessário aquecimento) vai assegurar esta função.



Tipos de moldes

Existem vários tipos de moldes:

Figura 16 – Moldes para fundição injectada: a) molde de cavidade simples; b) molde de cavidade

múltipla; c) molde combinado; d) molde composto. [3]

Como se pode ver na figura 16, o molde de cavidade simples produz um único

fundido em cada injecção. O molde de cavidade múltipla produz vários fundidos com a

mesma forma numa única injecção. O molde combinado permite obter fundidos de

formas diferentes (normalmente produz componentes diferentes que serão

posteriormente montados em conjunto). Por fim o molde composto consiste num molde

portador dentro do qual um número de blocos de tamanho modelo são ajustados. Cada

bloco molde contêm uma ou mais cavidades e estão ligados por canais de distribuição

ao orifício do gito, sendo assim possível o enchimento em simultâneo de todas as

cavidades. O molde composto, permite a produção simultânea de fundidos separados,

com alto grau de flexibilidade e rapidez na mudança dos blocos moldes. Estes fundidos

podem ser peças para uma mesma montagem ou peças cuja liga é a mesma mas para

clientes diferentes. [3]

Os moldes são as ferramentas que em fundição injectada sofrem maior

degradação devido ao contacto existente em cada ciclo com o metal líquido. A

esperança de vida é dada pela fissuração originada pelos choques térmicos. Na fundição

injectada de Al um molde pode durar até cerca de 400 000 ciclos. A degradação dos

moldes pode ser minimizada através do controlo da temperatura dos moldes.



No interior do molde, a energia sob a forma de calor é conduzida através da liga

e do material do molde para a superfície dos canais de arrefecimento, onde é transmitido

ao fluído que lá circula. O calor absorvido pelo fluído será dissipado na unidade de

controlo de temperatura. A dissipação residual do calor tem lugar no ar circundante, por

radiação do calor e por transmissão através das placas da máquina.

Existe uma fórmula que determina o balanço térmico do molde:

P = Pm – Ps – Pa

Legenda:

P – Quantidade de calor escoado pelo fluído durante a produção;

Pm – Calor introduzido pela liga;

Ps – Calor escoado pelo fluído;

Pa – Calor dissipado pelo molde para o ar circundante.

A temperatura do molde deve ser controlada tendo em consideração os seguintes

factores: a geometria do molde, o calor transportado pelo fluído e a unidade de controlo

de temperatura. [3]



VI – Parâmetros em fundição injectada

Para optimizar o processo de fundição injectada devemos estudar a influência

dos diferentes factores: qualidade e temperatura do banho metálico, os parâmetros de

injecção da máquina (pressão e velocidade de injecção) e a temperatura de

funcionamento dos moldes e lubrificação.

Temperatura do banho

A temperatura do banho normalmente entre 630 e 680ºC é fundamental para a

diminuição do teor em hidrogénio responsável pela presença de porosidade e pela

formação de carbonetos e óxidos. No caso da temperatura ser demasiado baixa o banho

poderá solidificar antes de se finalizar o enchimento. Pelo contrário se a temperatura for

muito alta, o metal líquido poderá ser agressivo com o material da camisa de disparo e

originar ciclos de fundição longos e choques térmicos de maior intensidade originando

uma maior degradação do molde. [3]

Pressão de injecção

Existem três estágios durante o enchimento da cavidade de moldação, durante os

quais o pistão se desloca a velocidades distintas.

No 1º estágio o pistão empurra o metal líquido no interior da camisa, até

preencher totalmente todo o espaço cilíndrico no seu interior. Nesta fase a pressão

envolvida é baixa.

Após esta fase o metal é injectado muito rapidamente no interior da cavidade por

forma a preenche-la na totalidade – este é o 2º estágio. Verifica-se uma aumento da

pressão a que ocorre esta segunda fase.



No final a pressão continua a aumentar, com o objectivo de evitar defeitos de

solidificação (rechupes). Nesta 3º fase atingem-se os valores máximos de pressão que

variam consoante o tipo de máquina utilizada. Nas máquinas de câmara quente atingem-

se valores entre os 5 e os 20 MPa. Nas máquinas de câmara fria este valor é ainda mais

alto situando-se normalmente entre os 70 e os 150 MPa, no entanto existem alguns

equipamentos que atingem valores próximos dos 200 MPa. [1]

Figura 17 – Relação velocidade e pressão de injecção em função do avanço do pistão durante as três

etapas do enchimento da cavidade de moldação. [1]

Velocidade de injecção

Na primeira fase a velocidade de injecção é relativamente lenta, mas a suficiente

para que o metal fundido atinja a secção do ataque e não exista ar envolvido na massa

líquida.

A velocidade do metal na segunda fase, correspondente ao enchimento da

moldação, varia entre os 30 e os 100 m/s, dependendo da espessura da peça a vazar.

Relativamente aos tempos de enchimento estes, nesta fase e a estas velocidades, variam

entre 0,01 e 0,3 segundos. A velocidade deveria ser a mais elevada, contudo temos de

considerar o desgaste das ferramentas.



No final a força de fecho deve ter a capacidade de manter as moldações fechadas

durante a fase de injecção. As máquinas de injecção são referenciadas pela sua força de

fecho. Estes valores estão compreendidos entre 100 e 1000 ton. No entanto existem

equipamentos capazes de atingir forças de 3500 ton. [1]

Temperatura do molde

A temperatura do molde é normalmente de 300ºC, assim influencia

determinadas características do fundido, tais como: superfície de acabamento,

intensidade de choques térmicos (responsáveis pela degradação dos moldes) e o tempo

de ciclo de fundição. [3]

Lubrificante

O ciclo de injecção não é só função da temperatura do molde mas também do

lubrificante associado, porque este além de favorecer a remoção do fundido deve ter a

capacidade de se desvanecer em poucos segundos produzindo assim peças polidas e

prevenindo a formação de crostas na cavidade do molde.

Quando a quantidade de desmoldante não é suficiente existe o perigo de

colagem do fundido ao molde. Se a quantidade for excessiva o lubrificante evaporar-se-

á podendo originar porosidades no fundido.

Além destas considerações o desmoldante deve ter características de aderência

(molhabilidade) ao molde e uma temperatura próxima do funcionamento do molde

porque assim reduz-se os tempos do ciclo e poupa-se uma quantidade significativa de

lubrificante. [3]



VII – Vantagens do processo

A precisão dimensional é muito importante neste processo. O molde é mais

rígido e preciso e as condições de enchimento explicam os valores de precisão

dimensional atingidos.

A qualidade da superfície é excelente, devido ao elevado grau de acabamento do

molde.

A característica mais evidente das peças fundidas por injecção é a obtenção de

peças leves, devido à diminuição da espessura atingida.

A tolerância dimensional em cada zona do fundido é mais apertada do que é

geralmente possível obter pelos outros processos de fundição. O alto grau de

uniformidade entre fundidos reduz as operações de maquinagem e facilita as operações

de montagem automática.

A larga gama de ligas de Al utilizadas permite obter determinadas características

tais como: excelente resistência à corrosão, possibilidade de decoração por polimento

(mecânico, químico e galvânico) e aptidão a revestimentos.

As características mecânicas das ligas são excelentes e por vezes não são

necessários tratamentos térmicos (resistência à fadiga maior que nos outros processos).

A perda de metal é muito baixa e são reutilizados os canais de distribuição e as

limalhas de maquinação.

Excelente precisão dimensional;

Excelente acabamento superficial;

Possibilidade de obtenção de espessuras muito pequenas;

Elevada produtividade;

Eliminação de muitas operações de maquinagem;

Operação de rebarbagem, em muitos casos, desnecessária.



VIII – Desvantagens do processo

Apesar da grande produtividade deste processo existe um investimento inicial

em máquinas e ferramentas muito elevado.

Existem materiais que não podem ser produzidos por fundição injectada (ferros

fundidos e aços).

As peças a produzir dependem dos desenhos dos moldes existentes ou possíveis

de produzir.

Devido ao elevado custo associado ao processo, especialmente aos moldes, só se

aplica esta técnica para a produção de uma grande número de peças ou então para peças

de enorme responsabilidade.

Elevado custo do equipamento;

Elevado custo das ferramentas;

Limitações ao tipo de liga vazável;

Limitação quer na dimensão máxima, quer na geometria das peças a obter.



IX – Aplicações

O principal campo de aplicações deste processo é a indústria automóvel (com uma forte tendência a aumentar o número de peças utilizadas), porque consegue-se obter uma excelente relação tenacidade/peso associada a uma boa qualidade de acabamento.

Indústria automóvel:

o Corpos de carburador;

o Corpos de distribuidor;

o Caixas de velocidade.

Figura 18 – A indústria automóvel tem tendência a utilizar cada vez mais peças obtidas por fundição

injectada.

Indústria eléctrica e electrónica:

o Carcaças de motor;

o Blindagens de candeeiros de Iluminação pública;

o Peças para computadores.

Componentes para a indústria de ferragens.



a b

c d

Figura 19 – a, b, c e d são exemplos de peças obtidas pela tecnologia de fundição injectada.



X – Comentários

Com este trabalho pretende-se demonstrar a capacidade deste processo de

fundição, bem como estudar os parâmetros envolvidos e ou aplicações industriais

conseguidas.

Ao mesmo tempo não nos podemos esquecer das limitações do próprio processo

tendo em atenção as alternativas existentes.

Relativamente aos metais e ligas utilizados existe um constante desenvolvimento

e é de esperar que no futuro seja possível obter peças de outros materiais, por esta

técnica de fundição.

Os parâmetros do processo não devem ser estudados isoladamente, mas sim o

seu conjunto é que nos vai indicar as condições de trabalho óptimas. Com o intuito de

estudar as diferentes variáveis existe um modelo matemático denominado de “método

de Tagushi”, que através de um menor número de experiências e com o auxilio de uma

matriz diagonal (em que as entradas são as próprias variáveis), consegue-se obter um

estudo completo dos efeitos dos vários parâmetros. Assim é possível optimizar o

processo de cada fundição injectada, relativamente aos parâmetros pretendidos.



XI – Bibliografia

[1] – Prof. Carlos Alberto Silva Ribeiro. Sebenta de Fundição II. FEUP: 2001

[2] – www.delmardie.casting.com/html/die_casting.html

[3] – Moutinho, Jorge David. Parâmetros de controlo do processo de fundição

injectada. Seminário. Porto. FEUP: Fevereiro de 2001.

[4] – www.fundinio.pt/fundpor/page8.html

[5] – www.metalbot.com/die.html

[6] – www.geocities.com/eureka/enterprises/6148/fundinj.htm

[7] – Upton, B.. Pressure DieCasting Part1. Pergamon Press. England: 1982.

[8] – www.coniex.pt/equipamentos/fundicao/urpe.html



XII – Anexos

Figura 20 – Máquina de fundição injectada Bühler 42 D Evolution. [3]

Figura 21 – Pormenor do robot extractor, do molde e colunas da máquina de fundição injectada Bühler 42

D Evolution. [3]



Figura 22 – Localização do forno de manutenção do acumulador e do multiplicador de pressão na

máquina de fundição injectada Bühler 42 D Evolution. [3]

Figura 23 – Localização do cilindro de injecção, pistão e camisa de disparo na máquina de fundição

injectada Bühler 42 D Evolution. [3]



Para mais informação consultar:

http://193.136.60.29/cursos/lic/disciplinas/processos_tecnologicos/fundicao.html

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