Fundição x Forjamento: Uma comparação abrangente

A produção de metal é um dos fundamentos da civilização humana que possibilitou a construção de ferramentas, maquinário, transporte e infraestrutura. A fundição e o forjamento podem ser considerados duas das formas mais antigas e comuns de transformar o metal em objetos usados na vida cotidiana. Embora os dois processos sejam usados para converter metal bruto em peças utilizáveis, eles são muito diferentes no que diz respeito ao processamento relevante do metal, bem como às características do produto final.

O processo de fundição ocorre quando o metal é derretido e despejado em um molde para assumir a forma da peça pretendida depois de solidificado. O processo também é muito versátil, pois pode produzir formas complexas e peças grandes com bastante facilidade. Quando usado, costuma ser utilizado em peças com geometrias mais complicadas, ocas/abertas ou com a necessidade de usar uma ampla gama de tipos de metal.

European Center of Excellence in Shipbuilding, Vetter, (1999), (contraste), usado para moldar o metal pressionando-o até um estado deformado usando força de compressão por meio de um martelo ou prensa. Esse processo aprimora a estrutura de grãos do material, dando a ele componentes de alta resistência, dureza e resistência à fadiga. Os produtos forjados são normalmente aplicados em situações em que o desempenho mecânico está em jogo, como nos setores automotivo, aeroespacial e de máquinas de grande porte.

A preferência pelo método de fundição ou forjamento depende das propriedades mecânicas críticas que devem ser atendidas, da complexidade do projeto, da taxa de produção e das implicações de custo. Este artigo descreve cada um deles de forma abrangente e compara as abordagens, os pontos fortes, as desvantagens e as áreas gerais em que são aplicados principalmente para traçar um quadro claro das situações e circunstâncias em que cada um dos métodos é usado na fabricação atualmente.

1. Introdução aos processos de modelagem de metais

A modelagem de metais é uma parte característica do processo de fabricação que está envolvida na produção de várias ferramentas, peças de máquinas, componentes de automóveis, projetos aeroespaciais e inúmeros bens de consumo. O processo usado para moldar um metal não apenas determina a geometria do produto final, mas também tem um grande efeito sobre a força, a durabilidade e a resistência à fadiga de seu comportamento mecânico. Além disso, o processo usado para moldá-lo afeta o custo, a precisão, o acabamento e o desempenho geral da produção; portanto, a escolha de um processo de fabricação adequado é uma decisão importante de engenharia e design.

Dois dos processos mais populares de modelagem de metal incluem a fundição e o forjamento. Ambos resistiram ao teste do tempo e se esforçaram ao máximo para serem relevantes em todos os setores em que foram usados devido às suas habilidades exclusivas.

• Fundição é uma rota de produção na qual o metal derretido é injetado ou derramado em uma cavidade de molde que assume a geometria do componente desejado. Depois que o metal se solidifica, ele assume a forma do molde, o que lhe confere uma forma quase líquida que geralmente precisa de pouca usinagem ou acabamento. A fundição é especialmente útil na produção de formas complicadas e peças maciças e complicadas que não podem ser produzidas de forma fácil ou econômica por outros processos.
• Forjamento, O forjamento a frio, no entanto, é um processo pelo qual o metal sólido é desenvolvido por meio do exercício de forças de compressão sob pressão, martelamento ou aperto. Essa deformação geralmente é realizada quando o metal é aquecido até um estágio maleável, mas o forjamento a frio também pode ter seu lugar em determinadas aplicações. A estrutura interna de grãos do metal usado em peças forjadas fica muito melhor, tornando as peças forjadas mais fortes e resistentes à fadiga do que as peças fundidas, o que faz com que as peças forjadas sejam o material escolhido para componentes de alto desempenho que passam por altos níveis de estresse mecânico.

A visão geral da compreensão dos princípios básicos, das vantagens e das limitações dos métodos de fundição e forjamento é importante para a escolha dos melhores processos de modelagem de metal, dependendo dos requisitos específicos de engenharia.

2. Visão geral da fundição

O que é Casting?

A fundição é um dos métodos mais antigos de formação de metal, com milhares de anos de existência. Ele envolve derreter o metal, despejá-lo em uma cavidade do molde e permitir que ele se solidifique. O molde pode ser feito de areia, metal, cerâmica ou outros materiais. Depois de resfriada, a peça fundida é removida do molde e, com frequência, são realizadas operações secundárias, como usinagem ou acabamento.

Processos de fundição

Há várias técnicas de fundição, incluindo:

• Fundição em areia: O metal fundido é derramado em um molde de areia. É econômico e adequado para peças grandes e complexas em volumes de produção baixos a médios.
• Fundição sob pressão: Usa moldes de metal, geralmente de aço, para produzir peças precisas e de grande volume por meio da injeção de metal fundido sob alta pressão.
• Fundição por revestimento (fundição por cera perdida): Produz componentes altamente precisos e detalhados formando um padrão de cera, revestindo-o com cerâmica e, em seguida, derretendo a cera para criar um molde.
• Moldagem de conchas: Uma fina camada de areia misturada com resina forma o molde, oferecendo melhor acabamento superficial e precisão do que a fundição em areia tradicional.
• Fundição centrífuga: O metal derretido é despejado em um molde rotativo, útil para peças cilíndricas.

Materiais usados na fundição

Quase todos os metais que podem ser derretidos podem ser fundidos, inclusive:

• Alumínio e suas ligas
• Ferro fundido
• Aço e aço inoxidável
• Ligas de cobre (bronze, latão)
• Magnésio
• Zinco
• Metais preciosos (ouro, prata)

Vantagens da fundição

• Capacidade de produzir formas complexas, inclusive seções ocas.
• Adequado para peças grandes e componentes com geometria complexa.
• Alta utilização de material com menos desperdício.
• Econômico para produções de pequeno a grande porte.
• Adequado para uma ampla gama de metais.

Desvantagens da fundição

• Potencial para defeitos como porosidade, encolhimento e inclusões.
• Propriedades mecânicas geralmente mais baixas em comparação com peças forjadas.
• O acabamento da superfície e a precisão dimensional podem exigir usinagem secundária.
• Algumas peças fundidas têm estrutura de grão inferior devido à solidificação.

3. Visão geral do forjamento

O que é forjamento?

O forjamento é um processo de fabricação que molda o metal aplicando forças de compressão, geralmente usando um martelo ou uma prensa. O metal é deformado plasticamente, geralmente em temperaturas elevadas (forjamento a quente), mas também pode ser feito em temperatura ambiente (forjamento a frio). O processo refina a estrutura interna do grão, melhorando a força e a resistência à fadiga.

Processos de forjamento

As técnicas comuns de forjamento incluem:

• Forjamento de matriz aberta: O metal é comprimido entre matrizes planas ou de formato simples, permitindo o livre fluxo do material.
• Forjamento de matriz fechada (forjamento de matriz de impressão): O metal é moldado em matrizes que têm cavidades, produzindo formas quase líquidas com detalhes finos.
• Forjamento de rolos: O metal é passado por rolos para reduzir a espessura e aumentar o comprimento da peça.
• Forjamento por prensa: Usa pressão lenta e contínua em vez de golpes de impacto.
• Forjamento a frio: Executado em temperatura ambiente ou próximo a ela para produzir peças com excelente acabamento superficial e resistência.

Materiais usados no forjamento

O forjamento é comumente usado para:

• Aços carbono
• Aços-liga
• Aços inoxidáveis
• Ligas de alumínio
• Ligas de titânio
• Cobre e suas ligas
• Superligas à base de níquel

Vantagens do forjamento

• Propriedades mecânicas superiores: maior resistência, tenacidade e resistência à fadiga.
• Melhoria do fluxo de grãos alinhado com o formato do componente.
• Redução do risco de defeitos internos, como porosidade.
• Boa precisão dimensional e acabamento de superfície.
• As peças podem ser projetadas para aplicações de alta tensão.

Desvantagens do forjamento

• Capacidade limitada de produzir formas altamente complexas em comparação com a fundição.
• Custos de ferramentas e configuração geralmente mais altos.
• Limitações de tamanho e forma devido ao equipamento de forjamento.
• O desperdício de material pode ser maior devido ao flash de corte e à usinagem.

4. Comparação detalhada entre fundição e forjamento

Tabela 1 Comparação detalhada entre fundição e forjamento

5. Descrições de processos em detalhes 

Etapas do processo de fundição

1. Criação de padrões A primeira etapa da fundição é criar um padrão - uma réplica da peça desejada - geralmente feita de madeira, plástico ou metal. Esse padrão forma o formato da cavidade dentro do molde. Ele deve ser projetado para permitir o encolhimento do metal durante o resfriamento e facilitar a remoção do molde.
2. Preparação do molde Usando o padrão, uma cavidade de molde é formada em um material de moldagem, como areia, cerâmica ou metal. O molde define a forma e a textura da superfície da fundição final. Os moldes podem ser de uso único (como os moldes de areia) ou permanente (como os moldes de metal usados na fundição sob pressão).
3. Derretimento O metal ou a liga selecionada é derretido em um forno, aquecendo-o até a temperatura de vazamento necessária e garantindo que o metal esteja homogêneo e livre de contaminantes.
4. Derramamento O metal derretido é cuidadosamente despejado na cavidade do molde por meio de um sistema de comportas. O vazamento controlado minimiza a turbulência, reduzindo defeitos como aprisionamento de gás e inclusões.
5. Resfriamento e solidificação O metal esfria e se solidifica dentro do molde, assumindo a forma exata da cavidade. As taxas de resfriamento e os padrões de solidificação afetam significativamente a microestrutura e as propriedades mecânicas da peça fundida.
6. Agitação e limpeza Após a solidificação, o molde é quebrado ou aberto, e a peça fundida é removida. O excesso de material, como portas, risers e resíduos de areia, é removido por meio de limpeza, esmerilhamento ou jateamento.
7. Tratamento térmico e usinagem Dependendo das propriedades mecânicas desejadas, as peças fundidas podem ser submetidas a processos de tratamento térmico, como recozimento ou têmpera. A usinagem final geralmente é necessária para obter dimensões precisas e melhorar o acabamento da superfície.

Etapas do processo de forjamento

1. Aquecimento

O tarugo/ingote de metal é aquecido no forjamento a quente a uma temperatura tal que se torna dúctil e fácil de deformar, em vez de se despedaçar instantaneamente, sem realmente derretê-lo; no entanto, a temperatura é relativamente alta para facilitar a plasticidade. O forjamento a frio não faz isso, mas deforma o metal a frio na temperatura ambiente ou em torno dela.

2. Deformação

As cargas compressivas são exercidas por martelos, prensas ou rolos. Isso ocorre porque elas deformam irreversivelmente o metal para obter a forma necessária, conforme decidido pelo projeto da matriz. Ao decidir sobre a deformação, ela pode ser feita em várias etapas para atingir a forma final lentamente.

3. Modelagem

O metal também é moldado para fluir e preencher as cavidades da matriz para produzir uma forma quase líquida e até mesmo características detalhadas no forjamento de matriz fechada. No forjamento de matriz aberta, menos ferramentas são obtidas por meio do impacto ou da pressão do metal por vários golpes.

4. Resfriamento

O componente resfriado é resfriado de forma controlada após o forjamento para manter a microestrutura refinada desenvolvida e evitar tensões ou deformações indesejadas.

5. Corte

Durante o processo de forjamento, o excesso de material ou o flash sai e deve ser raspado para que seja possível obter as dimensões finais das peças.

6. Tratamento térmico

Para obter as melhores propriedades mecânicas (dureza, resistência e tenacidade), as peças forjadas geralmente são submetidas a processos de tratamento térmico, incluindo normalização, têmpera e revenimento.

7. Usinagem e acabamento

Os processos de usinagem e acabamento são realizados para obter dimensões de tolerância estreita e alto acabamento de superfície para, por fim, preparar a peça para ser montada ou colocada em uso.

6. Comparação de propriedades mecânicas

Os componentes metálicos têm propriedades mecânicas como força, tenacidade, resistência à fadiga e ductilidade, que são considerações importantes sobre a adequação dos componentes para lidar com várias aplicações. Como a fundição e o forjamento envolvem métodos de produção tão diferentes, ambos os processos conferem aos componentes finais propriedades mecânicas que são exclusivas um do outro. O conhecimento dessas diferenças pode ajudar o engenheiro a fazer a escolha certa do melhor processo a ser adotado, dependendo do desempenho necessário.

Força

O sucateamento severo é causado pela fabricação de componentes que normalmente são muito mais fortes (resistência à tração e resistência ao escoamento) do que os fundidos. Essa excelência é causada principalmente pelo próprio processo de forjamento envolvido, que sujeita o metal a ser deformado em sua forma sólida e altera sua estrutura interna de grãos. Os grãos se tornam alinhados e alongados com a direção do fluxo nas forças compressivas do forjamento, levando a um fluxo de grãos denso e contínuo que resulta em um material com maior capacidade de suportar cargas.

Por outro lado, as peças fundidas são solidificadas em uma forma de metal fundido e, portanto, têm uma estrutura de grãos mais aleatória com as possíveis descontinuidades, como porosidade, cavidades de contração e inclusões. Esses defeitos podem servir como fontes de estresse, inibindo a resistência e a integridade da estrutura das peças fundidas.

Medicamentos para força e resistência

As peças forjadas também provaram ser mais duras e resistentes à fadiga. A estrutura de grão fino e a ausência de vazios internos reduzem o potencial de iniciação e propagação de trincas durante uma situação de carga dinâmica ou cíclica. Isso qualifica os principais usos de componentes forjados em áreas importantes do setor aeroespacial, automobilístico e de maquinário pesado, onde as peças passam por tensões variadas e condições operacionais difíceis.

Por outro lado, as peças fundidas geralmente não são tão resistentes quanto as peças forjadas ou extrudadas, nem apresentam uma vida útil à fadiga tão alta, devido às falhas de fundição e à menor uniformidade da microestrutura. Essas propriedades podem ser aprimoradas por meio de processamento térmico e melhor fundição, mas o forjamento é o processo preferido quando a durabilidade precisa ser alta.

Ductilidade

O processo de fabricação também afeta a ductilidade ou a capacidade de se deformar plasticamente antes de quebrar. O forjamento, devido ao seu fluxo de grão direcional, aumenta a ductilidade com relação à direção, de modo que a peça formada segue essa direção de grão, proporcionando, portanto, maior resistência à propagação e à inconclusão de trincas.

A liberdade adicional na produção de formas complexas de fundição tem a tendência de representar um custo, geralmente na forma de perda de ductilidade. As peças fundidas têm uma capacidade limitada de se deformar sem falhar, pois a orientação dos grãos aleatórios e seus defeitos internos diminuem sua capacidade de deformação.

7. Considerações econômicas

O custo é um fator determinante na escolha entre fundição e forjamento, principalmente em relação ao custo das ferramentas, ao volume de produção e ao custo do ciclo de vida da peça.

• O custo inicial de ferramental e configuração da fundição tende a ser menor. Os moldes, especialmente os que são criados usando areia ou outras superfícies descartáveis, são comparativamente baratos e relativamente fáceis de criar. Isso também torna a fundição particularmente econômica no caso de lotes de tamanho pequeno a médio ou quando é necessário um protótipo. Além disso, em comparação com a montagem de peças individuais fundidas, em grande parte por causa de sua complexidade e capacidade de forma quase líquida, o processo de fundição frequentemente permite que os produtos sejam altamente complexos sem a necessidade de montar várias peças juntas, diminuindo ainda mais os custos de produção e tornando o processo fácil de executar. No entanto, em alguns casos, o processo de fundição pode exigir processos adicionais, por exemplo, usinagem, tratamento térmico e acabamento, o que torna as peças fundidas mais caras.
• Em comparação, porém, o investimento inicial necessário é muito maior com o forjamento, pois são necessárias matrizes de precisão, uma prensa de forjamento e ferramentas. Esses custos só são justificáveis quando se trata de produção em massa ou quando os componentes exigem propriedades mecânicas específicas e durabilidade. É provável que os componentes forjados também passem por menos pós-processamento, uma vez que produzem formas quase líquidas que são mais resistentes e têm melhor acabamento. Além disso, devido à vida útil mais longa dos componentes e ao desempenho aprimorado dos componentes forjados, é possível obter custos mais baixos de manutenção e substituição do componente durante sua vida útil, o que proporciona um valor melhor em produtos de alto desempenho, sensíveis à segurança ou com carga pesada.

A fundição é geralmente mais barata em formas complexas e em pequenas quantidades, enquanto o forjamento é uma alternativa mais barata a longo prazo quando são necessárias grandes quantidades e componentes fortes com alta resistência.

8. Aplicativos comuns

Aplicações de fundição

• Blocos de motor e cabeçotes
• Carcaças de bombas e válvulas
• Arte e trabalhos em metal decorativos
• Peças de máquinas grandes
• Tubos e conexões

Aplicações de forjamento

• Virabrequins automotivos, bielas, engrenagens
• Componentes estruturais aeroespaciais
• Ferramentas manuais e facas
• Peças para equipamentos hidráulicos
• Componentes críticos do setor de petróleo e gás

9. Aspectos ambientais e de sustentabilidade

As contribuições ambientais e a sustentabilidade também passaram a desempenhar um fator significativo no mundo da manufatura atual ao determinar os processos de modelagem de metais. Tanto a fundição quanto o forjamento têm faces ambientais distintas, dependendo do uso do material, da energia e da liberação de resíduos.

• Fundição tem os notáveis benefícios ecológicos da reciclagem de sucata metálica. A maioria das funções de fundição usa metal reciclado como produto bruto e, portanto, economiza muito a necessidade de usar produtos virgens. Além disso, os moldes de areia, como em um processo como o de fundição em areia, podem ser reciclados/reutilizados várias vezes, e o desperdício é reduzido. No entanto, os procedimentos de fundição podem produzir emissão de odor dos fornos de fusão e algumas das substâncias dos moldes podem produzir resíduos que devem ser descartados e tratados com cuidado.
• Forjamento desempenha um papel importante na sustentabilidade; uma das maneiras é por meio da vida útil mais longa das peças forjadas. Como o forjamento melhora as propriedades mecânicas e se beneficia da maior durabilidade, as peças produzidas terão a tendência de durar mais tempo antes da necessidade de substituição ou reparo, minimizando, assim, o uso geral de material e resíduos no ciclo de vida dos produtos. Além disso, embora o forjamento possa criar mais material de refugo nas fases iniciais de formação, por exemplo, flash, que precisa ser removido, esse refugo geralmente pode ser reciclado de forma eficaz como parte do procedimento de fabricação.
• Consumo de energia: Há uma grande disparidade no consumo de energia nos dois processos. A fundição envolve muita energia para derreter os metais a temperaturas consideráveis, ao passo que é necessária muita energia para aquecer tarugos (no forjamento a quente) e para acionar grandes martelos oscilantes ou prensas mecânicas maciças. A eficiência do forno, os materiais da matriz e a otimização do processo aumentaram o uso eficiente da energia nos dois domínios. O impacto ambiental líquido de uma determinada empresa geralmente depende das preferências individuais dos processos, do tamanho da fabricação e dos fornecedores de energia.

É necessário equilibrar esses fatores entre os fabricantes que esperam minimizar sua pegada ambiental e a necessidade de produzir produtos de qualidade que ainda sejam economicamente viáveis.

10. Tendências e tecnologias emergentes

• Manufatura aditiva como complemento e/ou alternativa à fundição e ao forjamento de geometrias complexas.
• Forjamento de precisão utilizando matrizes e prensas aprimoradas para obter formas líquidas mais próximas.
• O uso de métodos avançados de fundição, como fundição a vácuo e assistida por pressão, para reduzir as falhas.
• Software de simulação para otimizar os processos de fundição e forjamento para que sejam mais econômicos e de melhor qualidade.

11. Conclusão

Alguns dos métodos mais antigos de formação de metal flexível são a fundição e o forjamento, e ambos têm suas vantagens e desvantagens. O custo de fundição de formas complexas e intrincadas e de peças grandes é relativamente baixo como custo inicial de ferramental e, portanto, adequado para ser considerado em produções de pequeno a médio porte (por exemplo, 10.000 peças) de um item em que a complexidade geométrica é a necessidade de produção. No entanto, as propriedades mecânicas das peças fundidas são menores porque há defeitos de diferentes origens nas peças e elas têm uma estrutura de grãos mais grossa.

O último, por outro lado, é famoso por sua operação de tornar as peças mais fortes, mais resistentes, resistentes à fadiga e dúcteis por meio de fundição. O próprio fluxo de grãos é aprimorado pela deformação plástica forjada, permitindo a fabricação de peças resistentes com aplicação em áreas de estresse intenso ou de desempenho de segurança. O forjamento resultaria em um primeiro custo mais alto de ferramentas e equipamentos, mas, na maioria das circunstâncias, as propriedades mecânicas superiores e a vida útil das peças superariam o custo, especialmente quando usadas nos setores automotivo, aeroespacial e de maquinário pesado.

A decisão sobre o processo mais adequado deve considerar vários fatores que abrangem a complexidade da peça, os requisitos mecânicos e os volumes de produção, a relação custo-benefício e as políticas ecológicas do processo que deve ser usado. A tecnologia de fundição e forjamento não apenas aumentou sua capacidade, mas também está permitindo a otimização da qualidade e da sustentabilidade dos produtos dos fabricantes. Em resumo, a abordagem holística da fundição e do forjamento introduz um julgamento informado para proteger o meio ambiente, a eficiência e a acessibilidade econômica no setor moderno.