Como funciona a fundição sob pressão? O processo por trás das peças fundidas para automóveis

A fundição sob pressão força o metal fundido em um molde de aço reutilizável sob alta pressão, onde solidifica em segundos em uma peça precisa e quase acabada. O metal fundido, normalmente alumínio, zinco ou magnésio, é injetado em pressões que variam de aproximadamente 1.000 a 20.000 psi (7 a 138 MPa), preenche todos os detalhes da cavidade do molde, esfria rapidamente e é ejetado como uma peça que geralmente precisa de pouco mais do que aparar antes de estar pronta para uso. Esta combinação de velocidade, repetibilidade e precisão dimensional é exatamente o motivo pelo qual a fundição sob pressão é o processo padrão por trás da maioria peças de fundição automática , desde blocos de motor até carcaças de transmissão.

As seções abaixo abordam cada estágio do processo, a diferença entre máquinas de câmara quente e câmara fria, as ligas e pressões usadas especificamente para peças de fundição automática e como avaliar a qualidade da fundição.

O processo de fundição sob pressão, passo a passo

Cada ciclo de fundição sob pressão segue a mesma sequência de núcleo, independentemente do tipo específico de máquina ou liga utilizada. A compreensão dessas etapas explica por que a fundição sob pressão pode produzir milhares de peças idênticas por dia, com variação mínima entre elas.

As principais etapas de produção

1. Limpe e lubrifique as duas metades da matriz de aço, depois feche-as e prenda-as juntas
2. Derreta lingotes de metal em um forno e mantenha-os na temperatura de fundição ideal para fluidez
3. Medir o metal fundido na câmara de injeção para esse ciclo da máquina
4. Injete o metal na cavidade da matriz usando um êmbolo hidráulico em alta pressão e velocidade
5. Mantenha a pressão enquanto a matriz é resfriada com água e o metal solidifica, geralmente em menos de um segundo
6. Abra a matriz e ejete a peça fundida acabada usando pinos ejetores
7. Apare o excesso de rebarbas e corredores e, em seguida, aplique qualquer acabamento necessário, como anodização ou revestimento em pó

Toda a parte do ciclo de injeção até solidificação pode levar apenas milissegundos a alguns segundos , que é o que permite que uma única máquina de fundição produza milhares de peças idênticas em um único turno.

Câmara Quente vs. Câmara Fria Fundição sob Pressão

As duas famílias de fundição são divididas de acordo com o local onde o metal é fundido. Em fundição sob pressão em câmara quente , o forno é construído diretamente na máquina e um êmbolo empurra o metal fundido através de um tubo submerso em "pescoço de ganso" para dentro da matriz. Em fundição sob pressão em câmara fria , o metal fundido é transportado de um forno separado para uma câmara de granalha não aquecida antes que um pistão hidráulico o force para dentro da matriz em alta pressão.

Resumo das principais diferenças

O alto ponto de fusão do alumínio danificaria o pescoço de ganso submerso de uma câmara quente ao longo do tempo, e é por isso que quase todas as peças de alumínio fundido para automóveis, incluindo blocos de motor e carcaças de transmissão, são produzidas usando fundição sob pressão em câmara fria em vez do método de câmara quente reservado para zinco e outras ligas de baixo ponto de fusão.

Fundição sob pressão de alta pressão versus baixa pressão para peças automotivas

Além da divisão da câmara quente/fria, a fundição sob pressão também é categorizada pela quantidade de pressão que força o metal para dentro do molde, e essa escolha afeta significativamente para quais peças de fundição automática um processo é adequado.

Fundição sob pressão de alta pressão (HPDC)

HPDC injeta metal fundido em 10.000 a 20.000 psi (cerca de 30 a 70 MPa) , proporcionando os tempos de ciclo mais rápidos e as taxas de produção mais altas de qualquer método de fundição sob pressão. É a escolha padrão para peças fundidas de automóveis de alto volume, como suportes de motor, carcaças de sensores e carcaças de motor, onde a velocidade e o custo por peça são mais importantes.

Fundição sob pressão de baixa pressão (LPDC)

O LPDC usa pressões muito mais suaves, normalmente 2 a 15 psi (15 a 100 kPa) , empurrando o metal fundido para cima na matriz através de um tubo ascendente com baixa turbulência. Este enchimento mais lento e calmo produz peças fundidas com menos defeitos internos, razão pela qual o LPDC é o processo padrão para rodas de alumínio e outros componentes estruturais onde a integridade mecânica sob carga é mais importante do que a velocidade de saída bruta.

Como regra geral, se a pressão for muito baixa para a espessura da parede da peça, o metal pode não preencher totalmente o molde antes de esfriar, deixando seções incompletas ou uma peça fundida mais fraca. Fazer com que a pressão corresponda à geometria da peça é uma das decisões de processo mais importantes que um fundidor sob pressão toma.

Peças comuns de fundição de automóveis e as ligas por trás delas

O alumínio domina a fundição automotiva porque oferece a relação resistência-peso, resistência à corrosão e condutividade térmica que os veículos modernos precisam. Só no Japão, 76% das peças fundidas de alumínio e 77% dos componentes fundidos sob pressão são usados na indústria automotiva , sublinhando o quão central é este processo para a forma como os carros são realmente construídos.

Freqüentemente peças automotivas fundidas sob pressão e suas ligas

Um molde a carcaça da transmissão em alumínio atinge aproximadamente uma redução de peso de 40% em comparação com um equivalente tradicional em ferro fundido , mantendo a integridade estrutural sob cargas de torque superiores a 200 Nm. Essa redução de peso não é apenas um detalhe de fabricação: reduzir o peso de um carro de 1,3 tonelada em 10% reduz o consumo de combustível em cerca de 8%, razão pela qual as montadoras continuam empurrando mais componentes, do aço ao alumínio fundido.

Como a qualidade é verificada em peças fundidas de automóveis

Como as peças fundidas de automóveis geralmente suportam cargas estruturais ou vedam fluidos sob pressão, o controle de qualidade não é opcional. Os fabricantes validam a precisão dimensional e a solidez interna antes que as peças cheguem à linha de montagem.

Referências de qualidade típicas

• Estabilidade dimensional mantida aproximadamente ±0,05 mm em carcaças automotivas de precisão
• Alvos de acabamento de superfície ao redor Ra ≤1,6 µm para peças que exigem superfícies de contato lisas
• Níveis de porosidade validados abaixo de aproximadamente 0,1% através de CMM e inspeção de raios X
• Estanqueidade confirmada com um detector de vazamento, com limites típicos da indústria em torno de 12 mL/min para câmaras de baixa pressão e 8 mL/min para câmaras de alta pressão

Essas verificações são importantes porque uma peça fundida pode passar em um teste de resistência estática e ainda assim falhar depois de instalada. A vibração da transmissão de engrenagens e dos ciclos térmicos na condução no mundo real pode revelar porosidade ou caminhos de vazamento que um teste de bancada por si só deixaria passar, e é por isso que componentes selados como carcaças de transmissão são normalmente testados muito além de suas especificações nominais de projeto antes da aprovação.

Por que as montadoras confiam na fundição sob pressão em vez de outros métodos

Em comparação com a fundição em areia ou a usinagem CNC a partir de tarugos, a fundição sob pressão oferece uma combinação de vantagens que é difícil de igualar para peças necessárias em grandes volumes.

Vantagens para a produção automotiva

• Peças com formato quase líquido que necessitam de usinagem secundária mínima, reduzindo mão de obra e desperdício de material
• Geometrias complexas em uma só peça , substituindo montagens de múltiplas peças por uma única peça fundida
• Alta repetibilidade , com uma única matriz capaz de funcionar por centenas de milhares de ciclos
• Forte reciclabilidade , já que mais de 90% das peças fundidas de alumínio podem ser reutilizadas e até 95% das peças automotivas de alumínio fundido já vêm de material reciclado
• Capacidade de parede fina , com alguns processos alcançando espessuras de parede tão baixas quanto 2 mm, mantendo a resistência à tração de até 250 MPa, dependendo da liga

Estima-se que o uso generalizado de fundição de alumínio em veículos ajude a economizar cerca de 50 milhões de toneladas de emissões de CO2 todos os anos através da economia de combustível proporcionada por veículos mais leves. Essa escala de impacto é resultado direto de um processo de fabricação no qual a maioria dos motoristas nunca pensa, moldando silenciosamente as peças sob o capô sempre que um novo modelo entra em produção.