Metais ferrosos referem-se a metais de cor mais escura, incluindo principalmente ferro, aço e ferro fundido. Esses metais são, em sua maioria, branco-prateados ou cinza-escuros, possuem boa condutividade elétrica e térmica, além de ductilidade, e são amplamente utilizados na indústria e na construção civil. Metais não ferrosos referem-se a metais que não sejam ferrosos, como cobre, alumínio, zinco, chumbo, níquel e estanho. Esses metais geralmente apresentam uma variedade de cores, possuem alta resistência à corrosão e boa condutividade elétrica e térmica, e são amplamente utilizados na indústria, na eletrônica e na indústria química.
1. O ferro é fundamental para os metais ferrosos
Os metais ferrosos contêm ferro, enquanto os metais não ferrosos não o contêm. A presença de ferro confere ao metal maior condutividade elétrica. O metal também possui boa resistência à tração, o que lhe permite suportar altas tensões sem se romper. Com suas propriedades mecânicas, resistência e durabilidade superiores, os metais ferrosos podem ser utilizados na fabricação de peças para aplicações elétricas e de alta tensão.
É importante observar que muitos metais ferrosos são suscetíveis à corrosão devido ao seu teor de ferro. Em aplicações que envolvem grandes quantidades de água, umidade, solventes, óleos e outras substâncias corrosivas, as peças podem se desgastar e, eventualmente, falhar. Para resolver esse problema, aditivos como o cromo podem ser adicionados durante o processo de fundição dos metais ferrosos para aumentar sua resistência à corrosão. Ao aprimorar as propriedades dessas ligas, os fabricantes podem desenvolver peças fundidas de precisão adequado para ambientes tão adversos.
Os tipos de metais ferrosos incluem aço, ferro fundido, aço inoxidável e aço carbono. Geralmente, os metais ferrosos são mais baratos do que os metais não ferrosos, pois são amplamente utilizados em diversos setores, incluindo componentes aeroespaciais.
2. Resistência comum à corrosão dos metais não ferrosos
Muitos metais não ferrosos não sofrem corrosão nem enferrujam facilmente devido à ausência de ferro em sua composição. Esses metais são altamente dúcteis e leves, mas apresentam menor resistência à tração. Eles também podem ser magnéticos ou não magnéticos, oferecendo mais opções dependendo da aplicação.
A principal vantagem dos metais não ferrosos reside em sua condutividade térmica e elétrica. Quando os metais possuem essas propriedades, a corrente e o calor podem passar facilmente por eles com resistência mínima. No caso de peças fundidas utilizadas em sistemas elétricos ou eletrônicos, os metais condutores permitem a passagem da corrente ao mesmo tempo em que absorvem e dissipam o calor gerado por ela. Essa propriedade impede o superaquecimento do sistema, evitando assim a degradação do desempenho e o mau funcionamento.
3. Principais diferenças nos processos de fundição por cera perdida
O processo central de fundição de investimento é “fabricação do molde de cera → revestimento da concha → desceragem → cozimento → vazamento → limpeza”. A seleção de parâmetros e os requisitos operacionais para cada etapa diferem significativamente entre metais ferrosos e não ferrosos, conforme segue:
3.1. Fabricação de modelos em cera e módulos: diferentes requisitos de resistência
O modelo de cera é o “protótipo” em fundição de investimento, e sua resistência deve estar de acordo com os requisitos subsequentes de revestimento da concha e manuseio. Devido às diferenças de peso e dimensões das peças fundidas após a vazão, os requisitos para os modelos de cera variam entre os dois tipos de metais:
- Metais ferrosos: Fundições por investimento são normalmente mais espessos (≥3 mm) e mais pesados (de vários quilos a dezenas de quilos). Portanto, o modelo de cera precisa apresentar maior resistência à temperatura ambiente e estabilidade a altas temperaturas (para evitar deformações durante o revestimento da concha). Frequentemente, utiliza-se uma cera composta de “parafina e ácido esteárico” (com maior proporção de ácido esteárico, o que resulta em maior dureza) ou são adicionados componentes reforçadores, como o polietileno.
- Metais não ferrosos: as peças fundidas por investimento são, em sua maioria, peças de paredes finas (menos de 1 mm, como componentes de liga de alumínio para o setor aeroespacial) e leves. Os modelos de cera priorizam a fluidez e a precisão da moldagem (reproduzindo detalhes complexos, como engrenagens de precisão e padrões decorativos). Costuma-se utilizar cera de parafina pura ou ceras compostas com baixo teor de ácido esteárico. Algumas peças de precisão chegam a utilizar “cera de baixa temperatura” (ponto de fusão de 40 a 60 ℃, fácil de descerar e que produz um acabamento fino).
3.2. Preparação do invólucro: diferenças nos materiais refratários e nas camadas de revestimento
A concha é o “molde” para fundição de investimento, e deve resistir à erosão causada por altas temperaturas e à corrosão química do metal fundido. Portanto, a escolha dos materiais refratários e o número de camadas de revestimento devem ser adequados ao ponto de fusão do metal:
| Etapas do processo:
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Metais ferrosos (tomando o aço inoxidável como exemplo):
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Metais não ferrosos (tomando a liga de alumínio como exemplo):
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| Materiais refratários
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Camada interna (em contato direto com o metal fundido): materiais de alto ponto de fusão, como o corindo (Al₂O₃) e a mulita (3Al₂O₃・2SiO₂) (resistentes a temperaturas acima de 1.600 ℃ e à corrosão pelo aço fundido); Camada externa: areia de sílica de baixo custo + sol de sílica (que proporciona resistência estrutural).
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Camada interna: materiais com ponto de fusão baixo a médio, como pó de quartzo e pó de zircão (resistentes a temperaturas abaixo de 1000 ℃, de baixo custo); Camada externa: areia de quartzo + vidro líquido (boa fluidez, fácil de aplicar). A liga de titânio é especial: é necessário corindo de alta pureza (para evitar reação entre o titânio e o silício). |
| Número de camadas de revestimento
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6 a 10 camadas (Devido à alta temperatura e ao impacto do metal fundido, é necessária uma camada externa espessa para evitar rachaduras)
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3 a 6 camadas (baixa temperatura do metal fundido; peças de parede fina requerem uma camada fina para garantir a dissipação de calor e evitar cavidades de retração no fundição de investimento)
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| Secagem de mofo
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Tempo de secagem prolongado (8 a 12 horas por camada), exigindo um controle rigoroso da umidade (as camadas de sol de sílica são sensíveis à umidade, para evitar a redução da resistência)
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Com tempo de secagem curto (4 a 8 horas por camada), as conchas de vidro hidrático podem secar naturalmente, o que resulta em maior eficiência.
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3.3. Desceriamento e queima: diferenças no controle de temperatura
A remoção da cera elimina o modelo de cera para formar a cavidade, enquanto a queima remove ainda mais a cera residual e aumenta a resistência da concha. As temperaturas para ambos os processos devem ser ajustadas de acordo com o ponto de fusão do modelo de cera e as características do metal.
Métodos de remoção de cera:
- Metais ferrosos: Utiliza-se principalmente a “desparafinagem a vapor” (vapor saturado a 100-120 ℃, que derrete rapidamente o modelo de cera, adequado para modelos de cera de alta resistência); algumas peças grandes utilizam a “desparafinagem com água quente” (80-90 ℃, de baixo custo).
- Metais não ferrosos: A cera de baixa temperatura é removida com água quente (60-80 ℃, para evitar o amolecimento e a deformação do modelo de cera); a cera de alta temperatura (como a cera para ligas de cobre) continua sendo removida com vapor.
Temperatura de queima:
- Metais ferrosos: 800-1100 ℃ (para queimar completamente os resíduos de cera, garantindo uma camada sinterizada densa e resistência à erosão pelo aço fundido), tempo de queima de 2 a 4 horas.
- Metais não ferrosos: Ligas de alumínio/ligas de magnésio: 400-600 ℃ (para evitar a sinterização excessiva do invólucro, o que poderia reduzir a permeabilidade e causar porosidade na peça fundida); Ligas de cobre: 600-800 ℃; Ligas de titânio: 1000–1200 ℃ (requer queima em alto vácuo para evitar a oxidação).
3.4. Processo de fundição: controle de temperatura, atmosfera e fluidez
Fundição por revestimento é a etapa fundamental da injeção do metal fundido no molde. Devido às diferenças no ponto de fusão e nas propriedades de oxidação, os parâmetros da fundição por cera perdida variam significativamente entre os dois tipos de metais:
Temperatura de fundição:
- Metais ferrosos: Temperaturas significativamente mais altas do que seu ponto de fusão (por exemplo, ponto de fusão do aço carbono: 1.450 ℃; temperatura de fundição: 1.550–1.650 ℃). É necessário aumentar a fluidez para preencher peças fundidas de paredes espessas e evitar falhas de preenchimento.
- Metais não ferrosos: Perto de seu ponto de fusão (por exemplo, ponto de fusão da liga de alumínio: 660 ℃; temperatura de fundição: 700–750 ℃). Temperaturas excessivas podem facilmente causar oxidação e cavidades de contração na peça fundida. As ligas de titânio são especiais (ponto de fusão de 1.668 ℃), exigindo fundição em alta temperatura, entre 1.800 e 1.900 ℃, e requerendo proteção a vácuo ou com gás inerte (o titânio reage facilmente com O e N em altas temperaturas).
Ambiente de fundição:
- Metais ferrosos: Podem ser fundidos à temperatura ambiente (a oxidação do aço e do ferro fundido pode ser removida por meio de limpeza posterior, e a oxidação tem impacto mínimo em peças de paredes espessas).
- Metais não ferrosos: As ligas de alumínio e magnésio requerem tratamento de desgaseificação (utiliza-se argônio ou hexacloroetano para remover o hidrogênio do metal fundido antes da fundição, a fim de evitar porosidade); as ligas de cobre podem ser fundidas à atmosfera, mas devem ser cobertas com fluxo para evitar a oxidação; as ligas de titânio devem ser moldagem a vácuo (vácuo absoluto < 10⁻³ Pa).
Métodos de fundição:
- Metais ferrosos: peças grandes são fundidas pelo método de “fundição pela parte inferior” (o metal fundido preenche o molde suavemente, evitando a erosão da parede do molde); peças pequenas são fundidas pelo método de “fundição pela parte superior” (para aumentar a velocidade de preenchimento).
- Metais não ferrosos: peças com paredes finas são produzidas por “fundição sob pressão” (como a fundição por cera perdida sob baixa pressão, que força o metal fundido a preencher a cavidade do molde, reduzindo defeitos); peças de precisão são produzidas por “fundição a vácuo” (para aumentar a densidade).
3.5. Pós-tratamento: Diferenças entre limpeza e tratamento térmico
O pós-tratamento determina o desempenho final e a aparência da peça fundida por cera perdida. Devido às diferenças nas características da superfície e nos requisitos de desempenho, os processos para os dois tipos de metais diferem significativamente:
Limpeza de superfícies:
- Metais ferrosos: Devido à alta dureza da camada do molde, as camadas residuais precisam ser removidas por jateamento com areia (areia de corindo) ou jateamento com granalha (granalha de aço); a camada de óxido é removida por decapagem (ácido clorídrico + ácido nítrico).
- Metais não ferrosos: A carcaça do molde é facilmente removível; ela pode ser retirada por jateamento de areia (areia de quartzo, evitando danos à superfície da peça fundida) ou decapagem química (por exemplo, dissolução do quartzo em solução de NaOH para ligas de alumínio); as ligas de cobre podem ser submetidas a decapagem (ácido sulfúrico + peróxido de hidrogênio).
Tratamento térmico:
- Metais ferrosos: exigem normalização + revenimento (para ajustar a dureza e eliminar tensões internas); o aço inoxidável requer tratamento de solução (para melhorar a resistência à corrosão).
- Metais não ferrosos: As ligas de alumínio requerem tratamento de envelhecimento (para melhorar a resistência); as ligas de magnésio requerem recozimento (para eliminar tensões e evitar deformações); as ligas de cobre requerem têmpera + revenimento (para melhorar a tenacidade).
4. Tendências de desenvolvimento
Metais ferrosos: Desenvolvimento de ligas de baixa contração (por exemplo, aço com alto teor de níquel) combinadas com a tecnologia de fundição por cera perdida com impressão 3D.
Metais não ferrosos: A ampla adoção de processos de fusão a vácuo para ligas de magnésio/titânio está impulsionando o desenvolvimento de estruturas leves para o setor aeroespacial.
Por meio da seleção adequada de materiais e da otimização dos processos, a fundição por cera perdida pode atender às necessidades de diversos setores, desde microjoias até grandes pás de turbina.
