Porque é que algumas peças fundidas falham enquanto outras se destacam? A resposta está nas propriedades da liga de fundição. Este artigo explora a forma como factores como a fluidez, a contração, a oxidabilidade e a absorção de gases têm impacto na qualidade e no desempenho das peças fundidas. Ao compreender estas propriedades, obterá informações sobre como selecionar os materiais certos e conceber processos que garantam peças fundidas de alta qualidade. Mergulhe para saber como o domínio destes elementos pode elevar os seus projectos de fundição e evitar defeitos comuns.
Conceito de desempenho de fundição de ligas: O desempenho da fundição refere-se à capacidade de uma liga para ser fundida e produzir peças fundidas de alta qualidade.
Indicadores de desempenho de fundição de ligas: Capacidade de enchimento (fluidez), retração, oxidabilidade, segregação, absorção de gases, etc.
A qualidade do desempenho da fundição de ligas tem um impacto significativo no processo de fundição, na qualidade da fundição e na conceção da estrutura da fundição.
Por conseguinte, ao escolher materiais para peças de fundição, devem ser preferidos materiais com bom desempenho de fundição, assegurando simultaneamente o desempenho operacional.
No entanto, na produção real, para garantir o desempenho operacional, são frequentemente utilizadas ligas com um desempenho de fundição mais fraco.
Nestes casos, deve ser dada mais atenção à conceção da estrutura de fundição e à processo de fundição condições devem ser fornecidas para produzir peças fundidas de alta qualidade. Assim, é necessária uma compreensão abrangente do desempenho da fundição de uma liga.
Definição: A capacidade da liga fundida para encher o molde e produzir uma peça fundida com dimensões correctas e contornos nítidos é designada por capacidade de enchimento da liga fundida.
O processo de enchimento da liga fundida é a primeira fase da formação da fundição. Esta fase envolve uma série de alterações físicas e químicas, como o fluxo da liga fundida e a troca de calor entre esta e o molde, juntamente com a cristalização da liga.
Por conseguinte, a capacidade de enchimento não depende apenas da fluidez da própria liga, mas também é influenciada por condições externas, como as propriedades do molde, as condições de vazamento e a estrutura da peça fundida.
Impacto na qualidade da fundição: Se a capacidade de enchimento da liga fundida for forte, torna-se mais fácil obter peças fundidas de paredes finas e complexas. Isto resulta em menos defeitos, tais como contornos pouco nítidos, vazamento insuficiente e corte a frio.
Facilita também a subida e a expulsão de gases e não metálico inclusões no metal fundido, reduzindo defeitos como poros e inclusões de escória. Além disso, pode melhorar a capacidade de alimentação, diminuindo assim a tendência para a contração e a porosidade.
(1) Fluidez da liga
Definição:
A fluidez refere-se à capacidade de fluxo da liga fundida. É uma propriedade inerente a uma liga, dependendo do tipo de liga, das características de cristalização e de outras propriedades físicas (por exemplo, quanto menor for a viscosidade e maior for a capacidade térmica, quanto menor for a condutividade térmica e maior for o calor latente de cristalização, e quanto menor for a tensão superficial, melhor será a fluidez).
Método de medição:
Para comparar a fluidez de diferentes ligas, o método padrão de fundição de amostras em espiral é frequentemente utilizado. O comprimento da amostra de fluidez obtida sob o mesmo molde (geralmente utilizando um molde de areia) e condições de fundição (como a mesma temperatura de vazamento ou a mesma temperatura de sobreaquecimento) pode representar a fluidez da liga testada.
Entre as ligas de fundição comuns, ferro fundido cinzento e o latão silício têm a melhor fluidez, enquanto o aço fundido tem a pior. Para a mesma liga, as amostras de fluidez também podem ser utilizadas para estudar o impacto de vários factores do processo de fundição na sua capacidade de enchimento.
O comprimento da amostra de fluidez obtida é o produto do tempo e da velocidade de fluxo do metal fundido desde o início do vazamento até ao fim do fluxo. Por conseguinte, quaisquer factores que afectem estes dois factores terão impacto na fluidez (ou capacidade de enchimento).
A composição química da liga determina as suas características de cristalização, e as características de cristalização dominam o impacto na fluidez. As ligas com componentes eutécticos (como as ligas ferro-carbono com uma fração mássica de carbono de 4,3%) solidificam a uma temperatura constante, a superfície interna da camada de solidificação é relativamente lisa e a resistência ao fluxo do metal fundido subsequente é pequena.
Além disso, a temperatura de solidificação da liga componente eutéctica é baixa, o que é fácil de obter um maior grau de sobreaquecimento, pelo que a fluidez é boa. Para além das ligas eutécticas e dos metais puros, outras ligas componentes solidificam dentro de um determinado intervalo de temperatura, e existe uma zona bifásica de líquido e sólido na secção de fundição.
Os primeiros cristais dendríticos formados criam uma maior resistência ao fluxo do metal fundido subsequente, pelo que a fluidez diminui. Quanto mais a composição da liga se desviar do componente eutéctico, maior será o intervalo de temperatura de solidificação e pior será a fluidez. Por isso, as ligas próximas da composição eutéctica são frequentemente utilizadas como materiais de fundição.
(2) Propriedades do molde
① O coeficiente de armazenamento de calor do molde representa a capacidade do molde de absorver e armazenar calor do metal fundido.
Quanto maior for a condutividade térmica, a capacidade térmica específica e a densidade do material do molde, mais forte será a sua capacidade de armazenamento de calor, mais forte será a capacidade de arrefecimento do metal fundido, mais curto será o tempo para o metal fundido manter o fluxo e pior será a capacidade de enchimento.
Por exemplo, a fundição em molde metálico é mais suscetível de produzir defeitos como vazamento insuficiente e corte a frio do que a fundição em molde de areia.
② O pré-aquecimento da temperatura do molde pode reduzir a diferença de temperatura entre ele e o metal fundido, reduzir a intensidade da troca de calor e, assim, melhorar a capacidade de enchimento do metal fundido.
Por exemplo, ao fundir peças fundidas de liga de alumínio com um molde de metal, o aumento da temperatura do molde de 340°C para 520°C aumenta o comprimento da amostra em espiral de 525mm para 950mm sob a mesma temperatura de vazamento (760°C). Por conseguinte, o pré-aquecimento do molde é uma das medidas de processo necessárias na fundição de moldes metálicos.
③ O gás no molde tem uma certa capacidade de emitir gás, que pode formar uma película de gás entre o metal fundido e o molde, reduzindo a resistência ao fluxo e facilitando o enchimento. Mas se a emissão de gás for muito grande e a exaustão do molde não for suave, a contrapressão do gás gerado na cavidade do molde impedirá o fluxo do metal fundido.
Por conseguinte, para melhorar a permeabilidade da areia do molde (núcleo), é necessário e frequentemente aplicado abrir orifícios de ventilação no molde.
(3) Condições de vazamento
① Temperatura de vazamento
A temperatura de vazamento tem um impacto decisivo na capacidade de enchimento do metal fundido. O aumento da temperatura de vazamento diminui a viscosidade da liga e prolonga o tempo em que esta permanece fluida, aumentando assim a capacidade de enchimento; inversamente, a capacidade de enchimento diminui.
Para peças fundidas de paredes finas ou ligas com fraca fluidez, o aumento da temperatura de vazamento para melhorar a capacidade de enchimento é frequentemente utilizado e relativamente conveniente na produção.
No entanto, à medida que a temperatura de vazamento aumenta, a absorção de gás e a oxidação da liga tornam-se graves, o encolhimento total aumenta, e defeitos como bolhas, buracos de encolhimento e adesão de areia ocorrem facilmente, e a estrutura cristalina da fundição torna-se grosseira.
Por conseguinte, em princípio, a temperatura de vazamento deve ser reduzida tanto quanto possível, assegurando simultaneamente uma fluidez suficiente.
② Pressão de enchimento
Quanto maior for a pressão exercida sobre o metal fundido na direção do fluxo, maior será o caudal e melhor será a capacidade de enchimento. Por conseguinte, métodos como o aumento da altura do canal de entrada ou a aplicação de pressão artificial (como fundição sob pressão(fundição a baixa pressão, etc.) são frequentemente utilizadas para melhorar a capacidade de enchimento das ligas fundidas.
(4) Estrutura de fundição
Quando a espessura da parede da peça fundida é demasiado pequena, a espessura da parede muda bruscamente ou existe uma superfície horizontal maior, dificultando o enchimento do líquido da liga. Por conseguinte, ao projetar a estrutura de fundição, a parede
A espessura da peça fundida deve ser superior ao valor mínimo permitido; algumas peças fundidas precisam de conceber canais de fluxo; e as nervuras devem ser colocadas em grandes superfícies planas. Isto não só facilita o enchimento suave do líquido da liga, como também evita a ocorrência de defeitos de inclusão de areia.
Segregação
Este termo refere-se à distribuição desigual da composição química nas peças fundidas. A segregação pode tornar as propriedades das peças fundidas irregulares e, em casos graves, pode levar a produtos defeituosos.
A segregação pode ser dividida em duas categorias: Micro-segregação e Macro-segregação.
Micro-segregação:
Segregação intragranular (também conhecida como segregação dendrítica) - Este é o fenómeno em que diferentes partes do mesmo grão têm composições químicas diferentes. Para as ligas que formam soluções sólidas, só em condições de arrefecimento muito lento é que os átomos se podem difundir o suficiente para obter grãos quimicamente homogéneos durante o processo de cristalização.
Em condições reais de fundição, a taxa de solidificação da liga é mais rápida e os átomos não têm tempo suficiente para se difundirem completamente. Como resultado, os grãos que crescem de forma dendrítica têm inevitavelmente composições químicas desiguais.
Para eliminar a segregação intragranular, a peça fundida pode ser reaquecida a uma temperatura elevada e mantida durante um longo período de tempo para permitir uma difusão suficiente dos átomos. Este método de tratamento térmico é conhecido como recozimento por difusão.
Macro-segregação:
Segregação por Densidade (anteriormente conhecida como segregação por gravidade) - Este é o fenómeno em que as partes superior e inferior da peça fundida têm composições químicas desiguais. Quando as densidades dos elementos de liga diferem significativamente, os elementos com menor densidade tendem a acumular-se na parte superior após a solidificação completa da peça fundida, enquanto os elementos com maior densidade tendem a acumular-se na parte inferior.
Para evitar a segregação de densidades, o metal fundido deve ser bem agitado ou arrefecido rapidamente durante o vazamento para evitar a separação de elementos com densidades diferentes.
Existem muitos tipos de macro-segregação, incluindo a segregação positiva, a segregação negativa, a segregação em forma de V e a segregação por bandas, para além da segregação por densidade.
Absorção de gás de ligas - Este termo refere-se à propriedade das ligas de absorverem gases durante a fusão e o vazamento.
A absorção de gases pelas ligas aumenta com a temperatura. Os gases são muito mais solúveis na liga fundida do que no estado sólido. Quanto maior for o superaquecimento da liga, mais gases ela contém. A presença de gases nas peças fundidas assume três formas: solução sólida, composto e porosidade.
Com base na origem do gás na liga, a porosidade pode ser dividida em três categorias:
a. Porosidade de exsudação
Quando os gases dissolvidos no líquido da liga exsudam durante o processo de solidificação devido a uma diminuição da solubilidade do gás e não conseguem ser expelidos a tempo, a porosidade formada nas peças fundidas é designada por porosidade de exsudação.
A porosidade de exsudação é mais comum em ligas de alumíniocom diâmetros frequentemente inferiores a 1 mm. Não só afecta as propriedades mecânicas da liga, como também afecta gravemente a estanquidade da peça fundida.
b. Porosidade invasiva
A porosidade invasiva refere-se a poros formados por gases acumulados na camada superficial do molde de areia que invadem o líquido da liga.
c. Porosidade reactiva
A porosidade reactiva refere-se a poros formados em peças fundidas por gases produzidos através de reacções químicas entre a liga fundida vertida no molde e a humidade, ferrugem, etc. no material do molde, suportes do núcleo, refrigeradores ou escória.
A porosidade reactiva existe em muitos tipos e formas. Por exemplo, os poros criados por reacções químicas entre o líquido da liga e a interface do molde de areia são normalmente distribuídos 1-2 mm sob a superfície da peça fundida. Depois de a superfície ser maquinada ou limpa, muitos pequenos orifícios ficam expostos, pelo que são designados por poros sub-superficiais.
Os poros perturbam a continuidade da liga, reduzem a área efectiva de suporte de carga e causam concentração de tensões em torno dos poros, reduzindo assim as propriedades mecânicas das peças fundidas, especialmente a resistência ao impacto e resistência à fadiga. Os poros dispersos podem também promover a formação de microporosidade, reduzindo a estanquidade da peça fundida.
a. Reduzir a emissão de gases da areia de moldagem (areia do núcleo) e aumentar a capacidade de exaustão do molde.
b. Controlar a temperatura do líquido de liga metálica, reduzir o sobreaquecimento desnecessário e reduzir o teor de gás original do líquido de liga metálica.
c. Aplicar pressão para solidificar a liga e evitar a exsudação de gás. As alterações na pressão afectam diretamente a exsudação de gás. Por exemplo, se a liga de alumínio líquido for cristalizada numa câmara de pressão a 405-608 kPa (4-6 atmosferas), pode obter-se uma fundição sem poros.
d. Durante a fusão e o vazamento, tentar reduzir a possibilidade de contacto do líquido da liga com os gases. Por exemplo, aplicar uma cobertura para proteger a superfície do líquido da liga ou utilizar a tecnologia de fusão sob vácuo.
e. Desgaseificar o líquido da liga. Por exemplo, introduzir cloro gasoso no líquido da liga de alumínio. Quando não dissolvido as bolhas de gás cloro sobem, os átomos de hidrogénio dissolvidos no líquido da liga de alumínio difundem-se continuamente nas bolhas de gás cloro e são removidos do líquido da liga.
f. As superfícies dos refrigeradores, suportes do núcleo, etc., não devem estar enferrujadas ou oleosas e devem ser mantidas secas, etc.
(1) Definições de solidificação e contração
A solidificação é o processo de transição de uma substância do estado líquido para o estado sólido.
A contração refere-se à redução de volume que ocorre nas peças fundidas durante os processos de solidificação e arrefecimento.
(2) Impacto na qualidade da fundição
Se a solidificação e a contração não forem adequadamente controladas durante o processo de arrefecimento do metal líquido vertido no molde, a peça fundida pode desenvolver defeitos como cavidades de contração, porosidade de contração, tensões de fundição, deformação e fissuras.
(1) Métodos de solidificação de fundição
Durante a solidificação, existem normalmente três áreas na secção transversal da peça fundida: a área da fase sólida, a área de solidificação e a área da fase líquida. A coexistência das fases líquida e sólida na área de solidificação influencia significativamente a qualidade da peça fundida.
O "método de solidificação" da fundição é classificado, com base na amplitude desta área de solidificação, nos três tipos seguintes:
① Solidificação camada a camada
Os metais puros ou as ligas eutécticas solidificam sem uma fase líquida e sólida coexistentes na área de solidificação, como se mostra na Figura 2(a). Assim, uma fronteira clara (frente de solidificação) separa a camada sólida exterior e a camada líquida interior na secção transversal.
À medida que a temperatura desce, a camada sólida torna-se mais espessa e a camada líquida diminui até que a frente de solidificação atinja o centro. Este método de solidificação é designado por solidificação camada a camada.
② Solidificação em pasta
Se a faixa de temperatura de cristalização de uma liga for ampla e a curva de distribuição de temperatura dentro da peça fundida for relativamente plana, não haverá camada sólida na superfície da peça fundida durante um certo período de solidificação.
Em vez disso, a área de solidificação onde coexistem as fases líquida e sólida estende-se por toda a secção transversal, como mostra a Figura 1 (C). Este método de solidificação é semelhante ao da solidificação do cimento, inicialmente pastoso antes de solidificar, sendo por isso designado por solidificação pastosa.
③ Solidificação intermédia
A maioria das ligas solidifica utilizando um método entre os dois anteriores, designado por solidificação intermédia.
Relação entre solidificação de fundição e Defeitos de fundição:
Geralmente, a solidificação camada a camada facilita o enchimento da liga e a compensação da contração, evitando cavidades de contração e porosidade. A obtenção de peças fundidas estruturais densas pode ser um desafio durante a solidificação em pasta.
(2) Principais factores que influenciam os métodos de solidificação da fundição
① Intervalo de temperatura de cristalização da liga
Um intervalo de temperatura de cristalização mais pequeno de uma liga resulta numa área de solidificação mais estreita e numa tendência para a solidificação camada a camada. Por exemplo, durante a fundição em areia, o aço com baixo teor de carbono solidifica camada a camada, enquanto o aço com alto teor de carbono, com uma ampla gama de temperaturas de cristalização, solidifica de forma pastosa.
② Gradiente de temperatura da secção transversal da fundição
Dada uma gama específica de temperaturas de cristalização de uma liga, a largura da área de solidificação depende do gradiente de temperatura da secção transversal da fundição, como se mostra na Figura 2 (T1→T2). Se o gradiente da temperatura de fundição aumenta, a área de solidificação correspondente estreita-se.
O gradiente de temperatura de uma peça fundida depende principalmente de:
a. Propriedades da liga: Quanto mais baixa for a temperatura de solidificação de uma liga, mais elevada será a sua condutividade térmica e quanto maior for o seu calor latente de cristalização, melhor será a sua capacidade de igualar as temperaturas internas, resultando num menor gradiente de temperatura (como na maioria das ligas de alumínio).
b. Capacidade de retenção de calor do molde: Um maior coeficiente de retenção de calor do molde aumenta a sua capacidade de arrefecimento rápido, levando a um maior gradiente de temperatura de fundição.
c. Temperatura de vazamento: Uma temperatura de vazamento mais elevada introduz mais calor no molde, reduzindo o gradiente de temperatura da peça fundida.
d. Espessura da parede de fundição: Paredes de fundição mais espessas resultam num menor gradiente de temperatura.
A partir da discussão acima, pode-se concluir que as ligas que tendem a solidificação camada por camada (como ferro fundido cinzento, ligas de alumínio-silício, etc.) são mais adequadas para fundição e devem ser usadas sempre que possível.
Quando é necessário utilizar ligas com tendência para a solidificação em pasta (como o bronze de estanho, a liga de alumínio e cobre, o ferro dúctil, etc.), devem ser consideradas medidas de processo adequadas (por exemplo, fundição em molde metálico) para reduzir a sua área de solidificação.
(1) Princípio e processo de retração de ligas
A estrutura de uma liga líquida consiste em aglomerados atómicos e "vazios". Os átomos dentro dos aglomerados estão ordenados, mas a distância entre os átomos é maior do que no estado sólido. Quando a liga líquida é vertida no molde, a temperatura continua a descer, os espaços vazios diminuem, as distâncias atómicas encurtam e o volume da liga líquida diminui.
À medida que o líquido da liga solidifica, os vazios desaparecem e as distâncias atómicas diminuem ainda mais. Durante o processo de arrefecimento até à temperatura ambiente após a solidificação, as distâncias atómicas continuam a diminuir.
A retração de uma liga, desde a temperatura de vazamento até à temperatura ambiente, passa pelas três fases seguintes:
①Retração de líquidos
É o encolhimento da liga desde a temperatura de vazamento até o início da solidificação (temperatura da linha liquidus), enquanto a liga está no estado líquido. Isto resulta numa queda do nível de líquido dentro da cavidade do molde.
②Retração de solidificação
É a contração da liga desde o início da solidificação até ao fim da solidificação. Geralmente, a contração de solidificação ainda se manifesta principalmente como uma queda no nível do líquido.
③Recolhimento em estado sólido
É a contração da liga desde o fim da solidificação até à temperatura ambiente, quando a liga se encontra no estado sólido. A contração nesta fase é caracterizada por uma diminuição das dimensões lineares da peça fundida.
As retracções líquida e de solidificação de uma liga são as principais causas das cavidades de retração e da porosidade numa peça fundida, enquanto a retração no estado sólido é a causa fundamental da tensão, deformação e fissuração da peça fundida e afecta diretamente a precisão dimensional da peça fundida.
(2) Principais factores que influenciam a contração das ligas
①Composição química da liga
As diferentes ligas têm diferentes taxas de contração. Entre as ligas normalmente utilizadas, o aço fundido tem a taxa de contração mais elevada, enquanto o ferro fundido cinzento tem a mais baixa. A razão pela qual o ferro fundido cinzento tem uma taxa de contração muito pequena é o facto de a maior parte do carbono existir sob a forma de grafite, que tem um grande volume específico. A expansão de volume produzida pela precipitação da grafite durante o processo de cristalização compensa parte da contração da liga.
Tabela 1 Taxas de retração de diferentes ligas
| Tipo de liga | Fração mássica de carbono | Temperatura de vazamento /℃ | Contração de líquidos | Retração por coagulação | Contração em estado sólido | Contração do volume total |
| Aço-carbono fundido | 0.35% | 1610 | 1.6% | 3% | 7.8% | 12.46% |
| Ferro fundido branco | 3.00% | 1400 | 2.4% | 4.2% | 5.4~6.3% | 12-12.9% |
| Ferro fundido cinzento | 3.50% | 1400 | 3.5% | 0.1% | 3.3~4.2% | 6.9~7.8% |
②Temperatura de vazamento
Quanto mais elevada for a temperatura de vazamento, maior será a contração líquida da liga.
③Condições do molde e estrutura de fundição
A contração real de uma peça fundida é diferente da contração livre de uma liga. É dificultada pelo molde e pelo núcleo; e, como a peça fundida tem uma estrutura complexa e uma espessura de parede irregular, as restrições mútuas de várias partes durante o arrefecimento também dificultam a contração.
A porosidade e a contração são definidas como os buracos que se formam na parte final solidificada de uma peça fundida se a contração líquida e a contração de solidificação da liga não forem compensadas pela liga líquida. Os vazios maiores e concentrados são referidos como porosidade, enquanto os pequenos e dispersos são referidos como retração.
Os danos - A porosidade e a contração reduzem a área de suporte de carga efectiva da peça fundida, causando concentração de tensões e reduzindo assim as propriedades mecânicas. Para as peças que requerem estanquidade ao ar, a porosidade e a contração podem causar fugas e afetar seriamente a sua estanquidade ao ar. Por conseguinte, a porosidade e a contração estão entre os principais defeitos de fundição.
① O processo de formação de porosidade
Quando a liga líquida é vertida num molde cilíndrico, a temperatura da liga líquida diminui gradualmente devido ao efeito de arrefecimento do molde. O seu encolhimento líquido continua, mas quando o jito não está solidificado, a cavidade do molde é sempre preenchida (ver Figura 3(a)).
À medida que a temperatura desce, a superfície da peça fundida começa por solidificar numa casca dura, fechando simultaneamente o canal de entrada (ver Figura 3(b)). Após arrefecimento adicional, o metal líquido no interior da casca continua a encolher, compensando a contração da solidificação que ocorreu quando a casca foi formada.
Uma vez que a contração do líquido e a contração da solidificação são muito superiores à contração do sólido da casca, o nível do líquido desce e destaca-se do topo da casca (ver Figura 3(c)). Este processo continua, com a casca a engrossar e o nível de líquido a descer.
Depois de o metal estar completamente solidificado, forma-se uma porosidade em forma de cone no topo da peça fundida (ver Figura 3(d)). Quando a peça fundida continua a arrefecer até à temperatura ambiente, o seu volume encolhe ligeiramente, reduzindo o volume da porosidade (ver Figura 3(e)). Se for colocado um riser no topo da peça fundida, a porosidade deslocar-se-á para o riser.
② Localizações da porosidade
Geralmente, aparece na última área solidificada da peça fundida, como a parte superior ou central da peça fundida, perto do jito, ou onde a parede da peça fundida é mais espessa.
③ Formação de retração
Isto é causado por uma compensação insuficiente da contração na última área solidificada da peça fundida, ou porque a liga solidifica num estado pastoso e as pequenas áreas líquidas separadas por cristais dendríticos não recebem compensação de contração.
O encolhimento divide-se em macro-encolhimento e micro-encolhimento. O macro-encolhimento é constituído por pequenos orifícios visíveis a olho nu ou à lupa, frequentemente distribuídos no eixo central da peça fundida ou abaixo da porosidade (Figura 4). O microencolhimento é constituído por pequenos orifícios distribuídos entre os grãos, visíveis apenas ao microscópio.
Este tipo de retração é mais generalizado, cobrindo por vezes toda a secção. A micro-retração é difícil de evitar completamente, e não é normalmente tratada como um defeito para peças fundidas em geral. Para peças fundidas com requisitos elevados de estanquidade, propriedades mecânicas, propriedades físicas ou propriedades químicas, devem ser feitos esforços para a reduzir.
As diferentes ligas de fundição têm diferentes tendências para formar porosidade e contração. As ligas de solidificação em camadas (metais puros, ligas eutécticas ou ligas com um intervalo de temperatura de cristalização estreito) têm uma elevada tendência para a porosidade e uma baixa tendência para a contração.
As ligas de solidificação pastosa, embora menos propensas à porosidade, são muito propensas à contração. Uma vez que algumas medidas de processo podem controlar o modo de solidificação da fundição, a porosidade e a contração podem ser mutuamente convertidas dentro de um determinado intervalo.
① Implementação da "Solidificação Direcional"
A fim de evitar cavidades de retração e porosidade, a peça fundida deve solidificar de acordo com o princípio da "solidificação direcional". Este princípio refere-se à utilização de várias medidas técnicas para estabelecer um gradiente de temperatura crescente desde a parte da peça fundida mais afastada da porta até à própria porta.
A solidificação começa na peça mais afastada da comporta, progredindo gradualmente em direção à comporta por ordem, sendo a própria comporta a última a solidificar. Este processo facilita a contração efectiva da solidificação, movendo as cavidades de contração para a comporta e resultando em peças fundidas mais densas.
Por conseguinte, a porta deve ser colocada na parte mais espessa e mais alta da peça fundida, com um tamanho suficientemente grande. Sempre que possível, o jito deve estar localizado na porta, permitindo que o metal fundido flua primeiro através da porta.
Ao mesmo tempo, podem ser colocados arrefecimentos nalgumas partes particularmente espessas da peça fundida (como se mostra na Figura 5) para acelerar o arrefecimento e maximizar o efeito da contração de solidificação da comporta.
Uma desvantagem da solidificação direcional é a existência de diferenças de temperatura significativas ao longo da peça fundida, causando tensões térmicas substanciais e potencial deformação ou fissuração da peça fundida.
Além disso, a inclusão de uma comporta aumenta o consumo de metal e os custos de limpeza. A solidificação direcional é normalmente utilizada para ligas com elevadas taxas de contração e intervalos de temperatura de solidificação estreitos (como o aço fundido, o ferro fundido maleável e o latão), bem como para peças fundidas com diferenças significativas na espessura da parede e requisitos elevados de estanquidade ao ar.
② Compensação da pressão
Isto implica colocar o molde numa câmara de pressão. Após a moldagem, a câmara de pressão é rapidamente fechada para que a peça fundida solidifique sob pressão, eliminando a porosidade e as cavidades de contração. Este método é também conhecido como "fundição sob pressão".
③ Utilização da tecnologia de impregnação para evitar fugas devido a cavidades de retração e porosidade
Isto envolve a infiltração de um agente de impregnação semelhante a um gel nas cavidades da peça fundida, endurecendo depois o agente de impregnação e integrando-o nas paredes das cavidades da peça fundida para obter uma estanquidade.
Determinação da localização de cavidades e porosidades de retração
Para evitar cavidades de retração e porosidade, é essencial avaliar com precisão a sua localização na peça fundida durante o desenvolvimento do processo de fundição, para que possam ser tomadas as medidas técnicas necessárias. A localização das cavidades de contração e da porosidade é geralmente determinada utilizando o método da linha isotérmica ou o método do círculo inscrito.
① Método da linha isotérmica
Este método envolve a ligação de pontos na peça fundida que atingem a temperatura de solidificação simultaneamente para formar linhas isotérmicas com base nas condições de dissipação de calor de várias partes da peça fundida. Isto é feito camada a camada até que as linhas isotérmicas na secção transversal mais estreita se toquem.
Desta forma, a última parte solidificada da peça fundida, ou seja, a localização das cavidades de contração e da porosidade, pode ser determinada. A Figura 6(a) mostra a posição da cavidade de contração determinada pelo método da linha isotérmica e a Figura 6(b) mostra a posição real da cavidade de contração na peça fundida, que são basicamente consistentes.
② Método do círculo inscrito
Este método é frequentemente utilizado para determinar a localização das cavidades de retração nas paredes de intersecção da peça fundida, como se mostra na Figura 7(a). Na parte com o maior diâmetro de círculo inscrito (referido como "ponto quente"), onde se acumula mais metal, a solidificação é normalmente a última a ocorrer, conduzindo facilmente a cavidades de contração e porosidade (Figura 7(b)).
Definição:
A tensão causada pela contração impedida no estado sólido de uma peça fundida é designada por tensão de fundição. A tensão de fundição pode ser dividida em três tipos:
Tensões mecânicas:
Este tipo de tensão é temporário, resultante do impedimento mecânico da contração da peça fundida. Assim que a obstrução mecânica é eliminada, a tensão desaparece. A causa do impedimento mecânico inclui a resistência a altas temperaturas da areia de moldagem (núcleo), a fraca colapsabilidade e a obstrução pelas correias da caixa de areia e impressões do núcleo.
Stress térmico:
Este tensão internaO stress térmico, conhecido como tensão térmica, é gerado devido à variação das velocidades de arrefecimento das diferentes partes da peça fundida, causando uma contração inconsistente no mesmo período, e existem restrições entre estas partes. Esta tensão térmica permanece mesmo depois de a peça fundida ter arrefecido até à temperatura ambiente, pelo que também é designada por tensão residual.
Tensão de mudança de fase:
As alterações de volume causadas por mudanças de fase na liga sob condições elásticas podem criar tensão de mudança de fase. Se diferentes partes da peça fundida arrefecerem a ritmos diferentes, as mudanças de fase não ocorrem simultaneamente, levando a esta tensão.
A tensão de fundição é a soma algébrica da tensão térmica, da tensão mecânica e da tensão de mudança de fase. Dependendo da situação, estas três tensões podem sobrepor-se ou contrapor-se umas às outras. A presença de tensões na fundição pode ter uma série de efeitos adversos, como causar deformações e fissuras na fundição, reduzir a capacidade de carga e afetar a precisão da maquinagem.
① Aspectos tecnológicos:
a. A peça fundida deve ser solidificada de acordo com o princípio da "solidificação simultânea". Para o conseguir, o sistema de comportas deve ser colocado na zona de paredes finas e o arrefecimento na zona de paredes espessas. Isto assegura que a diferença de temperatura entre as diferentes partes da peça fundida é minimizada e que ocorre uma solidificação simultânea, reduzindo assim o stress térmico ao nível mais baixo. É de notar que a área central da peça fundida apresenta frequentemente porosidade de contração e compactação inadequada nesta altura.
b. Ao aumentar a colapsabilidade do molde e do núcleo, remover a areia e embalar a caixa o mais cedo possível para eliminar obstáculos mecânicos, e arrefecer lentamente a peça fundida num poço de preservação de calor pode também reduzir o stress da peça fundida.
② Conceção estrutural:
Procurar uma estrutura simples com uma espessura de parede uniforme e transições graduais de paredes finas para paredes grossas, a fim de reduzir as diferenças de temperatura e permitir que cada peça se contraia mais livremente.
③ O stress térmico nas peças fundidas pode ser eliminado através de métodos como o envelhecimento natural e o envelhecimento artificial.
① Deformação:
As peças fundidas com tensão encontram-se num estado instável e reduzem espontaneamente a tensão através da deformação para atingir um estado estável. É evidente que só quando as partes elasticamente esticadas se contraem e as partes elasticamente comprimidas se estendem é que a tensão na peça fundida pode diminuir ou ser eliminada.
A direção da deformação das peças fundidas em forma de T é indicada pela linha a tracejado na Figura 9(a). Isto deve-se ao facto de, após a fundição em forma de T arrefecer, a parede grossa estar sob tensão e a parede fina sob compressão, semelhante a duas molas de comprimentos diferentes (Figura 9(b)). A mola mais curta em cima é esticada e a mola mais comprida em baixo é comprimida para manter o mesmo comprimento (Figura 9(c)).
No entanto, esta combinação de molas é instável e procura restaurar o estado de equilíbrio original. Por conseguinte, surge uma deformação de flexão semelhante à situação anterior (Figura 9(d)).
Perigo, contramedidas:
A medida fundamental para evitar a deformação da peça fundida é reduzir a tensão interna da peça fundida. Por exemplo, durante a fase de projeto, procure obter uma espessura uniforme da parede da peça fundida. Ao estabelecer processos de fundição, tente arrefecer todas as partes da fundição simultaneamente e aumente a colapsabilidade da areia de moldagem (núcleo).
No fabrico de moldes, pode ser utilizado o método de deformação inversa, ou seja, o molde é fabricado numa forma oposta à deformação da peça fundida, para compensar a deformação da peça fundida. A base da máquina-ferramenta apresentada na Figura 10 tem uma deformação de flexão devido aos carris grossos e às paredes laterais finas após a fundição. Se o padrão for feito com a curvatura oposta representada pela linha de dois pontos, os carris ficarão direitos após a fundição.
Deve ser salientado que, após a deformação da peça fundida, muitas vezes só é possível reduzir, mas não eliminar completamente, a tensão da peça fundida. Após a maquinação, o desequilíbrio de tensões na peça provoca mais deformações, afectando a precisão da maquinação. Por conseguinte, para peças fundidas importantes, o recozimento de alívio de tensões deve ser efectuado antes da maquinagem.
② Fendas:
Quando a tensão de fundição excede o limite de resistência do material no momento, podem ocorrer fissuras na peça fundida.
As fissuras podem ser divididas em fissuras quentes e fissuras frias.
Estas são formadas a altas temperaturas e são um dos defeitos de fundição mais comuns na produção de peças fundidas em aço, peças em bruto de ferro fundido forjado e algumas peças fundidas em ligas leves. As suas características são: a forma da fenda é tortuosa e irregular, a superfície da fenda parece oxidada (a superfície da fenda da fundição de aço parece quase preta, enquanto a liga de alumínio é cinzenta escura), e a fenda passa ao longo dos limites do grão. As fissuras a quente aparecem frequentemente nas últimas partes solidificadas das peças fundidas ou na superfície onde é provável que ocorra concentração de tensões.
Fissuras por frio:
Estas formam-se a baixas temperaturas. Ligas com fraca plasticidade, elevada fragilidade e baixa condutividade térmica, como o ferro fundido branco, aço de alto carbonoe alguns aços ligados, são propensos a fissuras a frio. As suas características são: a forma da fenda é uma linha reta contínua ou uma curva suave, passando frequentemente através dos grãos. A superfície da fenda é limpa, com brilho metálico ou uma ligeira cor de oxidação. As fissuras a frio ocorrem frequentemente nas partes de tração da peça fundida, especialmente em áreas de concentração de tensões, tais como cantos agudos internos, cavidades de retração e perto de inclusões não metálicas.
Perigo, contramedidas:
Os factores que reduzem a tensão de fundição ou diminuem a fragilidade da liga (como a redução do teor de enxofre e fósforo no aço) têm um efeito positivo na prevenção de fissuras.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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