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Características do metal e composição para desenho de fundição
Um metal sólido que possa ser fundido pode ser fundido. As fundições são as fábricas que fazem este trabalho de fundição, desenvolvendo perícia com um punhado de metais e métodos, e concebendo produtos padrão para maximizar o valor e a eficiência na produção.
Metais e métodos de fundição influenciam-se mutuamente: a melhor escolha de fundição para um produto é influenciada pela forma como o seu metal se comportará em estado fundido, refrigerado, e sólido. Para estas dependências, as especialidades de uma fundição fazem parte da determinação do tipo de produtos que fabricam. A fundição que faz brinquedos de criança de previsão não é geralmente a mesma fundição que produz peças de motor de alta qualidade.
Os metais ferrosos são definidos como aqueles metais que contêm ferro. Os metais não ferrosos não.
Uma das principais distinções na especialização é se as fundições trabalham com metais ferrosos, metais não ferrosos, ou ambos. A definição de um metal ferroso é qualquer metal que contenha ferro; os metais não ferrosos não. A metalurgia ferrosa representa cerca de 90% da produção mundial de metal. O ferro cinzento é o metal fundido mais comum nas fundições. Fora da fundição, o aço é a liga ferrosa mais utilizada na indústria, construção e transporte.
Fundições especializadas em métodos de fundição comuns como a fundição em areia trabalham normalmente em metais escolhidos por qualidades específicas, tais como facilidade de fusão e vazamento, captura de detalhes dentro do molde, comportamento previsível durante o arrefecimento, e prontidão para maquinagem ou acabamento.
Metal ferroso e as suas propriedades
Atributos de assinatura do ferro são que é denso, forte quando misturado com carbono, abundante e fácil de refinar, altamente propenso à corrosão, e magnético. A liga de ferro com outros elementos em diferentes proporções pode atenuar ou eliminar um ou mais destes factores.
Centenas de ligas ferrosas são bem conhecidas. São especificadas pelas proporções de cada elemento na sua maquilhagem, assim como as direcções na sua fusão e acabamento. As ligas ferrosas com carbono são normalmente chamadas ferro ou aço, e podem conter qualquer número de outros elementos, desde o alumínio ao vanádio, com base na sua especificação. Estes metais são normalmente escolhidos pelas suas propriedades mecânicas. Engenheiros e projectistas podem estar interessados na sua resistência ao escoamento, tenacidade, ductilidade, soldabilidade, elasticidade, cisalhamento, e expansão térmica, todos os quais descrevem como um material se comportará sob tensões específicas.
Estes aspectos distintivos do ferro podem ser alterados em ligas, que misturam ferro com outros elementos. O aço inoxidável é um bom exemplo, sendo algumas ligas de aço inoxidável não magnéticas e não corrosivas. Uma forma comum de saber se um metal é aço é colocar um íman contra ele, uma vez que o ferro na liga provocará a aderência do íman; contudo, as pessoas que tentaram colar ímanes no seu frigorífico de aço inoxidável sabem que este não é um teste infalível. Embora o ferro ainda esteja presente nesta liga ferrosa, uma elevada percentagem de níquel altera suficientemente a microestrutura do aço para evitar uma reacção magnética. O aço inoxidável pode enferrujar, embora seja muito mais resistente à corrosão do que outros tipos de ligas de ferro. Isto é devido à adição de crómio. O crómio protege contra a ferrugem através de um processo chamado passivação, no qual as moléculas superiores do metal oxidam mas permanecem fortemente ligadas ao metal por baixo, formando uma casca impenetrável.
Em metais ferrosos, o ferro e o aço são os materiais de fundição mais comuns.
Iron
Ferrões fundidos são uma categoria de ligas de ferro com teor de carbono superior a 2%. São ferros relativamente baratos e densos. Quando são aquecidos e fundidos, têm uma fluidez muito maior a temperaturas mais baixas do que o aço, o que significa que podem fluir e encher partes de um molde complexo com maior eficiência. Os ferros fundidos também encolhem a metade da velocidade do aço enquanto arrefecem.
Os ferros fundidos básicos têm boas propriedades de compressão, mas são frágeis: quebram-se antes de se dobrarem ou distorcerem. Esta vulnerabilidade pode significar que graus quebradiços de ferro fundido não são utilizados para desenhos com extrusão ou detalhes elaborados, ou com arestas muito afiadas, pois estas características podem lascar.
Groníquel cinzento é o tipo mais comum de ferro fundido actualmente produzido, apresentado em tudo, desde tampas de esgoto a travões de disco em carros. O seu nome deriva da cor que assume na fractura, que é cinzenta devido à presença de grafite como aditivo de carbono. O ferro cinzento é 2,5-4% de carbono por peso, e contém adicionalmente 1-3% de silício, o que estabiliza a grafite. Tem muitos dos atributos do ferro fundido básico, na medida em que é barato e tem uma elevada fluidez em comparação com o aço quando fundido, mas a presença de grafite permite que o ferro seja um pouco menos quebradiço, permitindo uma maquinação mais fácil. O ferro cinzento ainda é inflexível: dobra-se muito pouco antes de se partir.
Ferro dúctil é uma forma de ferro fundido em que o carbono adicionado é uma grafite esférica (nodular). O ferro dúctil é normalmente 3,2-3,6% de carbono em peso, e tem silício e outros elementos. Níveis mais elevados de ferrite significam que se acumula em ferramentas de corte durante a maquinagem, pelo que é frequentemente utilizado principalmente no fabrico de ferro fundido, onde a fluidez muito elevada o torna uma grande escolha para trabalhos finamente detalhados. A forma esferóide da grafite que confere ao ferro fundido dúctil maior resistência ao impacto e resistência à tracção do que o ferro fundido ou o ferro cinzento, tornando viáveis desenhos detalhados ou afiados. O ferro dúctil é um relativamente novo na especificação dos ferros, como foi descoberto pela primeira vez em 1943.
Aço
Aços de todos os tipos são por vezes também fundidos. Em geral, o aço tem um teor de carbono inferior a 2,14% em peso, e é frequentemente ligado a outros elementos. O aço tem propriedades mecânicas mais fortes do que os ferros fundidos, mas o que se ganha em tenacidade perde-se em fluidez. O aço fundido precisa de ser muito mais quente do que o ferro fundido para fluir em moldes detalhados, e as altas temperaturas necessárias para trabalhar com o aço são difíceis de gerir e podem prejudicar a concepção e o acabamento do objecto que sai do molde. Como com todas as peças fundidas, diferentes partes de uma peça podem arrefecer a ritmos diferentes, e este diferencial causa tensões dentro do produto: porque o aço encolhe mais extensiva e rapidamente do que os ferros fundidos, estas tensões precisam de uma maior gestão no aço fundido.
Estes desafios significam que o aço pode ser muito mais trabalhoso para fundir bem. Requer uma atenção especializada durante todas as fases da sua produção. Ainda assim, a elevada resistência mecânica do produto final pode fazer de uma liga de aço a escolha clara para algumas aplicações, com maquinagem que fornece acabamentos de fase final.
Outras ligas de ferro
Outras ligas de ferro existem fora destes tipos comuns, e são utilizadas em aplicações específicas onde os seus comportamentos mecânicos são úteis. Por exemplo, elinvar é uma liga de níquel-ferro que não se expande e contrai em calor, e é utilizada em peças muito pequenas em relógios e outros dispositivos de precisão.
Metales não ferrosos e seus usos
Estes metais incluem todos os metais e ligas que não contêm ferro. Uma pequena lista de metais não-ferrosos comuns incluirá:
- Metais preciosos como prata, platina, e ouro
- Cobre e suas ligas como bronze e latão
- Nickle, Paládio, Platina
- Titânio
- Alumínio
- Estanho, Chumbo
- Zinco
Com uma tão vasta gama de materiais neste agrupamento, muitas das propriedades mecânicas que recomendam o ferro podem ser descobertas em metais não ferrosos. Por exemplo, as ligas de alumínio ou titânio poderiam ser substituídas pelo aço em muitos casos, se não fosse proibitivo em termos de custos. As capacidades magnéticas do ferro poderiam ser emuladas com níquel, cobalto, ou elementos de terras raras ligados a outros metais.
No entanto, porque os metais não-ferrosos custam muitas vezes mais caro, tendem a ser escolhidos pelos seus atributos únicos, em vez das formas como se podem comportar como o aço. Pesos mais leves, condutividade, resistência à corrosão, propriedades não magnéticas, tradição, ou valor decorativo são algumas das razões para escolher um metal não-ferroso. Alguns metais são valorizados exactamente porque são raros: antes de ser possível a produção generalizada de alumínio, o alumínio era um metal de luxo utilizado em louça de mesa de gama alta.
Todos os tipos de materiais especializados são fundidos. Contudo, nas fundições tradicionais de fundição em areia, existem três metais não-ferrosos de destaque.
Bronze e latão
Bronze e latão foram os primeiros metais fundidos pela humanidade na Idade do Bronze, e estas ligas de cobre ainda hoje são fundidas em areia. São fundidas a temperaturas muito mais baixas do que os materiais ferrosos, e fundem bem os detalhes, pelo que são frequentemente utilizadas em aplicações decorativas como a estatuária. Bronze e latão são mais macios que o aço, mas são resistentes à corrosão mesmo na presença de sal, pelo que estes metais são utilizados em aplicações marítimas normais, como acessórios em barcos. O latão é também resistente à “galling”, que é o desgaste do metal contra si mesmo, e por isso o latão é por vezes fundido para peças mecânicas, como hélices marinhas – ou maquinado para rolamentos e fechos de correr. Ambas as ligas são bastante caras, pois dependem do cobre, um metal que também é procurado pelas suas propriedades eléctricas.
Alumínio
Alumínio é um metal com uma densidade muito inferior à do ferro, tornando-o um material vital em aplicações que necessitam de resistência sem peso, tais como a indústria aeroespacial. É resistente à corrosão porque o alumínio, tal como o aço inoxidável, reage à oxidação criando uma cobertura de óxido metálico que o protege.
Alumínio também tem um ponto de fusão mais baixo do que muitos dos aços ou ferros que pode substituir, o que o torna mais fácil de fundir do que o aço, necessitando de menos supervisão para formas complexas. A maior desvantagem do alumínio é a despesa.
Considerar os materiais de fundição
Ao conceber uma fundição, encontrar o metal perfeito para equilibrar valor e forma é uma arte e ciência. O metal certo para um trabalho satisfará tanto os requisitos estéticos como mecânicos da aplicação, e isto influenciará os métodos de produção necessários para levar um protótipo ao produto final.
Os metais ferrosos são a escolha mais comum para as peças fundidas, frequentemente escolhidas pela sua eficiência de custos e pelas suas propriedades mecânicas. Por vezes não é a resistência de um metal que dita a escolha, mas propriedades tais como peso, resistência à corrosão, ou não magnetismo. Ligas não ferrosas como o bronze e o latão também podem ser escolhidas pela tradição ou pela sua beleza.
Consulta com um engenheiro pode ajudar um projectista a encontrar harmonia entre os diferentes aspectos do seu projecto, escolhendo o metal perfeito para honrar tanto a aplicação como o orçamento.
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