Os lingotes produzidos por meio de fusão primária das matérias-primas são refinados utilizando ESR (electroslag remelting – refusão por eletroescória) e/ou VAR (vacuum arc remelting – refusão a arco sob vácuo). Em ambos os casos, a refusão é tipicamente feita na escala de várias toneladas, com o lingote final sendo então forjado e usinado para o seu propósito final
Alguns fornos ESR podem produzir lingotes de mais de 100 toneladas. Na outra extremidade da escala, há um conjunto igualmente interessante de aplicações na forma de vários fornos de fundição pequenos e médios. Estes utilizam, de forma similar, materiais de alto desempenho, os quais são normalmente preparados como uma “liga mãe” em um forno de fusão por indução a vácuo (VIM) para produzir peças fundidas para a indústria aeroespacial, de geração de energia e, em menor grau, mas crescente, para as indústrias automotivas.
Desenvolvimento Histórico
A fundição de metais acompanha a humanidade desde quando os metais começaram a ser derretidos. Achados arqueológicos datam de aproximadamente 5.700 anos para materiais como o cobre e o bronze e evidências de produção de cobre (com ou sem estanho para formar o bronze) remontam 7.500 anos. Muitas melhorias e variações nos processos de fundição foram desenvolvidas ao longo do tempo conforme os materiais foram melhorando, mas a fundição realmente decolou com a estreia da linha de montagem e as demandas crescentes que os carros e os equipamentos militares da Segunda Guerra Mundial apresentaram para os componentes fundidos.
Essas demandas crescentes, em qualidade e quantidade, levaram ao desenvolvimento dos processos de fundição. A fundição em areia, em particular, teve grandes avanços na aplicação de automação para regular a mistura da areia utilizada para os moldes, melhorando consideravelmente a repetibilidade de lote para lote da mistura de areia e das peças vazadas feitas nesses moldes. No entanto, a demanda por componentes de precisão near-net-shape (próximos da forma final) durante a Segunda Guerra Mundial não poderia ser satisfeita pelo processo relativamente lento da fundição em areia somada com a usinagem. Sendo assim, a fundição de precisão passou a ser almejada.
A fundição de precisão, também conhecida como “fundição por cera perdida”, remonta há milhares de anos. Ela foi utilizada primeiramente para a fundição de ornamentos e joias, devido ao nível de detalhes que poderiam ser alcançados nas peças. O nível de detalhes e a habilidade de se obter dimensões precisas no produto como fundido chamou a atenção dos dentistas no final do século 19 e início do século 20, o que culminou com a invenção de uma nova máquina de fundição por cera perdida criada por William H. Taggart de Chicago, que descreveu sua invenção em um artigo de 1907.
As demandas da indústria nascente dos motores a jato para aeronaves fizeram com que fosse desenvolvido ainda mais aquele processo de fundição de precisão, inicialmente utilizado para fins odontológicos. Inicialmente, os motores a jato utilizavam palhetas de turbinas feitas por fundição em areia. No entanto, estas palhetas precisavam ser usinadas em todas as superfícies, porque as peças fundidas em areia não eram suficientemente precisas para as exigências de rotação rápida das turbinas. A demanda resultante por usinagem ultrapassou a capacidade das ferramentarias da época, trazendo a fundição de precisão near-net-shape para a atenção da indústria aeroespacial. Após a Segunda Guerra Mundial, a fundição de precisão se expandiu para muitas outras indústrias e aplicações, embora a força motriz por de trás dos avanços na tecnologia da fundição de precisão continue sendo a indústria de turbinas a gás (indústria aeroespacial e de geração de energia).
Por Que Materiais de Alto Desempenho?
Para se aumentar a eficiência de uma turbina a gás (maior impulso para um motor a jato, mais energia por unidade de combustível consumido para uma estação de energia), a temperatura de combustão deve aumentar. Há muito tempo, estas palhetas e outros componentes localizados nas partes mais quentes dos motores de aeronaves são produzidos com superligas fundidas a vácuo. Os motores de aeronaves utilizam componentes leves, porém resistentes a altas temperaturas, frequentemente feitos de titânio, para aplicações críticas. Quando fundido, o titânio reage com os materiais refratários utilizados nos cadinhos, mas ele pode ser fundido em um cadinho de “cobre frio” (resfriado a água), aquecido por uma fonte de energia por indução e uma bobina.
Como linha geral, a maioria das peças para aplicações automotivas ainda são fundidas ao ar. No entanto, as aplicações de fundição especial estão aumentando. As rodas das turbinas do turbo compressor automotivo são talvez a aplicação mais óbvia, mas muitos componentes do motor estão sendo analisados à luz dos requisitos crescentes de eficiência de combustível por parte dos governos nacionais. Algumas peças, como as válvulas do motor (Fig. 1), já são produzidas em titânio ou uma liga de titânio, mas ainda não têm aplicação ampla. No entanto, alguns motores para carros de alto desempenho buscam ainda mais esta tendência e utilizam ainda mais materiais de alto desempenho para reduzir o peso e melhorar o desempenho.
Fornos de Fusão com Cadinhos Refratários
Atualmente, os fornos para fundição de precisão com vácuo preciso (VPIC – Vacuum Precision Investment Casting) podem vir em uma grande variedade de tamanhos e orientações (horizontais ou verticais) para atender tanto o produto a ser fundido quanto o espaço disponível para instalar e operar o forno e os equipamentos a eles relacionados.
Os fornos mais simples são, muitas vezes, unidades para produção em batelada, assim chamados porque a câmara de fusão será aberta para a atmosfera após cada vazamento – um processo de batelada. Tanto o sistema de fusão por indução quanto a mesa de moldes serão colocados na mesma câmara, podendo ou não haver câmaras adicionais para fazer leituras com termopares de imersão, retirar amostras do metal sendo fundido ou para fazer adições ao banho metálico. Os fornos a vácuo originais eram unidades por batelada, uma vez que levou tempo para se descobrir como fazer com que as válvulas de isolamento fossem eficazes. Hoje, eles atendem às necessidades de processos simples, com um custo de capital mais baixo para os equipamentos, mas também com um rendimento reduzido devido a uma variedade de fatores.
A alternativa a um forno de batelada é um forno semicontínuo, assim chamado porque a câmara de fusão irá permanecer sob vácuo durante várias corridas, enquanto a câmara do molde, separada da câmara de fusão por uma válvula de isolamento a vácuo, será aberta durante e depois de cada corrida para carregar e descarregar o molde. Há também uma câmara para o carregamento da carga de materiais, tanto da liga mãe como de outros materiais da carga, para dentro da câmara de fusão, enquanto a última é muitas vezes sob vácuo e é comum haver um dispositivo para o termopar de imersão com o seu próprio vácuo fazendo o bloqueio contra a atmosfera. Embora complexos, por muitas vezes serem projetados especificamente para o processo desejado, estes fornos têm geralmente melhorado os rendimentos ou são capazes de produzir produtos que não podem ser feitos em um forno por batelada.
Além da comparação dos fornos como sendo por batelada ou semicontínuo, a principal diferenciação entre os fornos que utilizam cadinhos refratários para a fusão é a microestrutura dos produtos fundidos que eles produzem, podendo apresentar grãos equiaxiais ou grãos solidificados de forma direcional (DS – Directionally Solidified).
Fornos para Fundidos Equiaxiais
A maioria das peças fundidas tem uma microestrutura de solidificação equiaxial, ou seja, a microestrutura consiste basicamente de pequenos grãos equiaxiais. Os grãos podem variar em tamanho e número, dependendo da estrutura da peça e de como o molde é preparado para a fundição. Muitos fornos de fundição equiaxiais são construídos em uma configuração vertical (Fig. 2), o que economiza espaço de chão de fábrica. Alguns são construídos horizontalmente, estes, geralmente, são fornos e/ou unidades que utilizam um processo de fundição centrífuga, o qual gira o molde para ajudar a preencher pequenas regiões com as espessuras das seções transversais finas. Algumas vezes são utilizados fornos horizontais quando altura livre é restrita.
As fusões equiaxiais são o carro-chefe da indústria de fundição. Tecnicamente, praticamente todas as peças fundidas ao ar seriam consideradas equiaxiais, dada a forma como elas se solidificam. Normalmente, este termo é utilizado de uma forma mais específica na indústria de fundição a vácuo para diferenciar das peças fundidas por solidificação direcional. As peças, em geral, são muitas vezes feitas na forma como fundidas para se beneficiar das vantagens em relação à economia de peso, redução de custos devido à eliminação de forjamento ou operações de usinagem e razões similares, as quais são familiares para qualquer pessoa que tenha ao menos olhado para a possibilidade de mudança de produção de peças de um componente fabricado para uma peça fundida, quando não são necessárias ligas específicas.
No entanto, alguns componentes são mais restritos em relação à seleção da liga. As indústrias aeroespacial e de geração de energia apresentam esta demanda, apesar de outras aplicações industriais estarem requisitando materiais resistentes à corrosão e às altas temperaturas, como a indústria de óleo e gás. Por exemplo, algumas ligas específicas de alto desempenho contêm elementos de liga que atuam especificamente nos contornos de grão, permitindo o aumento da temperatura de trabalho que uma peça pode suportar, ou para prover aumento da resistência à oxidação ou à corrosão.
Peças que requerem um resfriamento interno complexo podem necessitar do uso de machos cerâmicos dentro do modelo inicial de cera, os quais resistirão à remoção da cera após o processo de moldagem, deixando o macho dentro do molde. Após o vazamento e solidificação, o macho pode ser removido por diversos processos, sendo a filtragem com ácido o mais comum. No entanto, há um desenvolvimento contínuo em relação aos machos de forma a se obter estabilidade dimensional quando na temperatura de vazamento ao mesmo tempo em que seja cada vez mais fácil removê-lo da peça fundida.
A fundição de componentes equiaxiais feita em forno a vácuo é relativamente similar à fundição ao ar, a diferença é a possibilidade do uso de um molde fechado dentro da câmara de vácuo que será levado para o forno de fusão por indução. Os moldes com casca cerâmica serão pré-aquecidos em uma mufla antes do vazamento para minimizar o choque térmico e reduzir a possibilidade de presença de inclusões na peça final. Eles são então transferidos para uma mesa de moldes, câmara de moldes, dentro do forno VPIC.
Após o fechamento da porta externa, todo o ar da câmara de moldes é evacuado e a válvula de vácuo é aberta para a câmara de fusão, o molde é então movido para baixo da boca de vazamento do forno de indução e preenchido com o metal líquido. É feito o procedimento reverso para a remoção do molde para fora do forno. Alguns moldes equiaxiais possuem um material exotérmico para facilitar o preenchimento da peça, enquanto outros somente têm uma casca mais grossa ou um revestimento refratário para reter o calor em áreas críticas. Os moldes, então, resfriam ao ar e a casca é removida da peça. A continuação do processo dependerá da demanda exata de cada peça específica.
Fornos de Fundição para Solidificação Direcional
O outro tipo de microestrutura é considerado como solidificada direcionalmente (DS), com a subcategoria de monocristal (SC)quando não há contornos de grão na peça. A grande maioria destas peças é utilizada nas regiões mais quentes de aeronaves e de turbinas de geração de energia. Uma das principais razões para o desenvolvimento do processo de solidificação direcional é estender a vida em fluência destas peças devido às suas temperaturas de operação extremamente altas.
As peças feitas por fundição direcional, em geral, necessitam de um certo número de grãos colunares na peça para se utilizar dos benefícios dos elementos de liga que atuam como estabilizadores dos contornos de grão. Em contraste, as ligas monocristalinas dispensam por completo qualquer estabilizador de contorno de grão, já que a ideia é não ter nenhum contorno de grão. Ambos os tipos de peça, em geral, possuem machos, como descrito anteriormente. Isto permite que o ar do resfriamento passe por toda a peça, a qual é tipicamente uma superfície de aerofólio de uma palheta rotativa ou de uma palheta estática em uma turbina (apesar de outras peças estáticas também serem feitas por estes métodos).
No processo de fundição direcional, os moldes, em geral, são pré-aquecidos fora do forno para a sua secagem e isso reduz o tempo necessário para pré-aquecimento dentro da câmara. Isso é realizado em uma temperatura mais baixa do que para os moldes para fundição equiaxial para reduzir a ciclagem térmica. Para a solidificação direcional, dentro da câmara do VPIC há um aquecedor por resistência ou por indução. Os aquecedores por indução (Fig. 3) são preferíveis aos aquecedores por resistência, mesmo sendo mais caros, devido à sua eficiência, redução de manutenção e necessidade de reposição de peças. Este aquecedor será utilizado para aquecer a casca cerâmica do molde de forma mais lenta para uma temperatura acima da temperatura de fusão da liga que será vazada, porém, abaixo da temperatura de fusão da cerâmica.
Uma vez que o ciclo de aquecimento do molde esteja praticamente completo, o metal a ser vazado será fundido no forno logo acima do aquecedor do molde e a liga será vazada no tempo especificado. Neste ponto, o lento processo de remoção irá começar. Diferentemente dos fornos equiaxiais, os quais utilizam uma mesa de moldes de aço carbono para apoio dos moldes, os fornos de solidificação direcional, ou de monocristais, utilizam uma placa de cobre refrigerada a água sob o molde. Essa placa age como um extrator de calor para resfriar a liga, iniciando a solidificação de uma grande quantidade de grãos equiaxiais contra o cobre. Conforme o molde é retirado do aquecedor de moldes, entretanto, os grãos com orientação preferencial em relação à extração de calor (ou seja, aqueles que crescerão diretamente a partir da placa de cobre refrigerada a água) crescerão mais rapidamente do que os grãos menos favoráveis, eliminando muitos dos grãos equiaxiais iniciais.
As peças produzidas por solidificação direcional possuem múltiplos grãos. Estes grãos então crescem por um processo de extração de calor, o qual é tipicamente mantido em uma taxa praticamente constante. Nas peças monocristalinas, no entanto, um seletor adicional de grãos é utilizado para manter somente um dos grãos formados no vazamento inicial, o qual então cresce por toda a peça. Como ambos os tipos de moldes são removidos do aquecedor de moldes, podem ser utilizados métodos adicionais de resfriamento para tentar aumentar o gradiente de temperatura entre o aquecedor do molde e a região logo abaixo.
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Fornos “Turbocharger”
Com o desenvolvimento dos superchargers e turbochargers para aeronaves, principalmente para forçar mais ar dentro do estágio de combustão para aumentar a pressão quando voando em altitudes mais altas, os projetistas de motores perceberam que uma funcionalidade similar poderia ser aplicada para outros tipos de motores para melhorar a eficiência. Devido à necessidade de metais avançados para altas temperaturas no turbocharger, isto foi feito inicialmente somente em motores maiores, como os motores de navio e de locomotivas a diesel. Hoje, eles são comuns em todos os motores a diesel e até mesmo em muitos motores a gasolina.
Uma razão pela qual os turbochargers são mais comuns é a disponibilidade fácil das ligas de alto desempenho das rodas turbocharger para os motores automotivos. As peças requerem uma matriz de injeção de cera relativamente complexa para produzir um modelo para o processo de cera perdida. A peça está longe de ser complicada como as peças fundidas para a indústria aeroespacial por ter a parede com seções razoavelmente espessas e não utilizar machos. Por causa disto, elas pode ser produzida em fornos “turbocharger” especificamente desenvolvidos.
Este é um processo por batelada, em baixa escala, em fornos de fusão a vácuo, nos quais a bobina de indução está ao ar, do lado de fora de uma pequena campânula de vácuo. Esta câmara de vácuo é feita de um material não condutor, o qual permite que o campo magnético se acople à barra metálica no interior. A barra metálica é mantida em um copo no topo do molde e inserida de forma que o metal fique, na sua maior parte, dentro do campo de indução.
A extremidade inferior da barra é mantida de forma firme no molde refratário e atua como um plugue, permanecendo sólido enquanto todo o resto da barra é fundido. Após a barra estar toda fundida, o calor do metal líquido transmitido por condução para o plugue irá fazer com que ele seja fundido, e o metal fará um autovazamento para dento do molde.
Enquanto o rendimento deste tipo de forno é geralmente mais baixo do que aquele atingido pelos fornos equiaxiais semicontínuos dedicados, o tamanho pequeno do equipamento e o tamanho pequeno do molde significam que o investimento de capital total (por exemplo, setup do molde, manuseamento, sistema de cascas, etc.) seja reduzido. Como resultado, este tipo de equipamento é um ponto de entrada bastante interessante para a indústria de fundição especial.
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Para mais informações, contate: Aaron Teske, gerente técnico e de vendas, Ásia; Consarc Corporation, 100 Indel Ave., P.O. Box 156, Rancocas, New Jersey, EUA; tel: +1 609-267-8000 x174; fax: +1 609-267-1366; e-mail: ateske@consarc.com; web: www.consarc.com.
