A fundição de metais é um processo fundamental no fabrico, mas já se perguntou como é que se compara com a fundição em areia? Este artigo analisa as vantagens e desvantagens técnicas e económicas de ambos os métodos, oferecendo uma comparação clara do seu desempenho, custos e aplicações específicas. Os leitores terão uma compreensão abrangente do método de fundição que melhor se adequa às diferentes necessidades de fabrico, garantindo decisões informadas na produção.
Comparando a fundição em molde metálico com a fundição em molde de areia, existem inúmeras vantagens técnicas e económicas:
(1) As peças fundidas produzidas por moldes metálicos têm propriedades mecânicas superiores às das peças fundidas em moldes de areia. Para a mesma liga, a resistência à tração pode aumentar em cerca de 25%, a resistência ao escoamento em cerca de 20%, e há melhorias significativas na resistência à corrosão e na dureza.
(2) A precisão e a suavidade da superfície das peças fundidas são superiores às produzidas com moldes de areia, e a qualidade e as dimensões são mais estáveis.
(3) O rendimento do processo de fundição é maior, reduzindo o consumo de metal líquido, geralmente economizando 15-30%.
(4) O uso de areia é eliminado ou minimizado, geralmente economizando 80-100% de materiais de molde.
Além disso, a fundição em molde metálico tem uma elevada eficiência de produção; causas de defeitos de fundição são reduzidos; o processo é simples, fácil de mecanizar e automatizar.
Apesar das vantagens da fundição de moldes metálicos, existem também desvantagens, tais como:
(1) O custo da produção de moldes metálicos é elevado.
(2) Os moldes de metal não são respiráveis e não têm tolerância, o que pode levar a defeitos de fundição como vazamento insuficiente, rachaduras ou boca branca em peças de ferro fundido.
(3) Durante a fundição em molde metálico, factores como a temperatura de trabalho do molde, a temperatura e a velocidade de vazamento da liga, o tempo que a peça fundida permanece no molde e o tipo de revestimento utilizado podem afetar significativamente a qualidade da peça fundida e exigem um controlo rigoroso.
Por conseguinte, ao decidir utilizar a fundição em molde metálico, é necessário considerar os seguintes factores de forma abrangente: a forma e o peso da fundição devem ser adequados; deve haver um tamanho de lote suficiente; e o prazo de produção deve permitir.
Existem diferenças significativas entre os moldes de metal e os moldes de areia em termos das suas propriedades. Por exemplo, os moldes de areia são respiráveis, ao passo que os moldes de metal não o são.
Os moldes de areia têm uma fraca condutividade térmica, enquanto os moldes de metal são excelentes neste aspeto. Os moldes de areia são retrácteis, mas os moldes de metal não o são. Estas características dos moldes metálicos determinam os seus princípios únicos no processo de formação da fundição.
A influência das mudanças no estado do gás dentro da cavidade do molde na formação do fundido: Durante o enchimento do metal, os gases dentro da cavidade do molde devem ser rapidamente expelidos. No entanto, a não respirabilidade do metal significa que uma ligeira negligência no processo pode afetar negativamente a qualidade da peça fundida.
Características do calor durante a solidificação do molde: Quando o metal fundido entra na cavidade do molde, transfere calor para a parede metálica do molde. O metal líquido perde calor através da parede do molde, levando à solidificação e ao encolhimento.
Entretanto, a parede do molde expande-se à medida que aquece, criando um "espaço" entre a peça fundida e a parede do molde. Até que o sistema "fundição-fenda-molde" atinja uma temperatura uniforme, a fundição pode ser considerada como arrefecendo dentro da "fenda", enquanto a parede do molde é aquecida através da "fenda".
O impacto do molde metálico que impede a contração da peça fundida: Os moldes metálicos ou os moldes com núcleo metálico não se retraem durante o processo de solidificação da peça fundida, impedindo a contração da peça fundida - outra caraterística única dos mesmos.
Os moldes metálicos não pré-aquecidos não podem ser utilizados para fundição devido à sua elevada condutividade térmica. Se o metal líquido arrefecer demasiado depressa, a sua fluidez diminui drasticamente, conduzindo a defeitos de fundição, tais como a obturação a frio, inclusões de vazamento insuficientes e porosidade.
Os moldes metálicos não pré-aquecidos são susceptíveis de sofrer danos devido a choques térmicos e ao aumento da tensão durante a fundição. Por conseguinte, os moldes metálicos devem ser pré-aquecidos antes da sua utilização.
O adequado temperatura de pré-aquecimento (ou seja, a temperatura de funcionamento) depende do tipo de liga, da estrutura e do tamanho da peça fundida, e é geralmente determinada através de testes. Como regra geral, a temperatura de pré-aquecimento de um molde metálico não deve ser inferior a 1500C.
Os métodos de pré-aquecimento de moldes metálicos incluem:
(1) Pré-aquecimento com maçarico ou chama de gás.
(2) Utilizar um aquecedor de resistência.
(3) Utilização de um forno para aquecimento, que proporciona uma temperatura uniforme, mas só é adequado para pequenos moldes metálicos.
(4) Pré-aquecimento do molde metálico num forno e, em seguida, vazamento de metal líquido para aquecer o molde. Este método só é adequado para moldes pequenos, uma vez que desperdiça algum metal líquido e pode diminuir a vida útil do molde.
A temperatura de vazamento para moldes metálicos é geralmente mais elevada do que para a fundição em areia e pode ser determinada com base no tipo de liga, na sua composição química e no tamanho e espessura da peça fundida, através de ensaios. Os dados seguintes podem ser utilizados como referência.
Temperaturas de vazamento para várias ligas:
Dado o arrefecimento rápido e a natureza não porosa dos moldes metálicos, a velocidade de vazamento deve ser lenta inicialmente, depois rápida e, finalmente, lenta novamente. É essencial manter um fluxo constante de líquido durante o processo de vazamento.
Quanto mais tempo um núcleo metálico permanecer dentro de uma peça fundida, mais forte será a aderência do núcleo devido à contração da peça fundida, exigindo assim uma maior força de extração do núcleo.
A duração ideal para um núcleo metálico permanecer dentro de uma peça fundida é quando a peça fundida arrefeceu até uma gama de temperaturas de deformação plástica e tem resistência suficiente, altura em que é a melhor altura para retirar o núcleo.
Se a peça fundida ficar demasiado tempo na matriz metálicaA temperatura da parede da matriz aumenta, exigindo mais tempo de arrefecimento e reduzindo a produtividade da matriz metálica.
O momento mais adequado para a retirada do núcleo e remoção da peça fundida é normalmente determinado através de métodos experimentais.
Para garantir a estabilidade da qualidade das peças fundidas em molde metálico e a produção normal, é crucial manter uma mudança de temperatura constante no molde metálico durante a produção.
Por conseguinte, após cada vazamento, o molde metálico deve ser aberto e deixado durante um determinado período de tempo até arrefecer à temperatura especificada antes do vazamento seguinte.
Se se recorrer ao arrefecimento natural, o tempo necessário é mais longo, o que reduz a produtividade, pelo que o arrefecimento forçado é normalmente utilizado. Existem geralmente vários métodos de arrefecimento:
1. Arrefecimento por ar: Sopro de ar à volta do exterior do molde metálico para melhorar a dissipação de calor por convecção. Embora a estrutura de um molde metálico arrefecido a ar seja simples, fácil de fabricar e de baixo custo, o efeito de arrefecimento não é particularmente ideal.
2. Arrefecimento indireto a água: Instalação de uma camisa de água na parte de trás ou numa parte específica do molde metálico. O seu efeito de arrefecimento é melhor do que o do arrefecimento a ar e é adequado para a fundição de peças de cobre ou de peças de ferro fundido forjáveis. No entanto, o arrefecimento intenso para a fundição de peças cinzentas de parede fina peças fundidas de ferro ou ferro fundido dúctil pode aumentar os defeitos de fundição.
3. Arrefecimento direto a água: Criação direta de uma camisa de água na parte de trás ou numa parte específica do molde metálico e arrefecimento com água que flui através da camisa. Este método é utilizado principalmente para a fundição de peças de aço ou outras peças fundidas em ligaQuando é necessário um forte arrefecimento do molde. Devido ao seu elevado custo, só é aplicável à produção em grande escala.
Se a espessura da parede do molde variar muito, quando se utiliza um molde metálico para a produção, um método comum é aquecer uma parte do molde metálico enquanto arrefece outra parte para ajustar a distribuição da temperatura da parede do molde.
Durante o processo de fundição de moldes metálicos, é comum aplicar um revestimento na superfície de trabalho do molde metálico.
O revestimento tem a função de regular a velocidade de arrefecimento das peças fundidas, proteger o molde metálico da erosão e do choque térmico causado pelo líquido metálico a alta temperatura e facilitar a libertação de gás através da camada de revestimento.
Consoante a liga, o revestimento pode ter diversas fórmulas e é geralmente composto por três tipos de substâncias:
1. Materiais refractários em pó (tais como óxido de zinco, pó de talco, pó de areia de zircão, pó de terra de diatomáceas, etc.);
2. Aglutinantes (geralmente água, vidro, xarope ou líquido residual da pasta de papel, etc.);
3. Solvente (água). As fórmulas específicas podem ser consultadas nos manuais relevantes. O revestimento deve cumprir os seguintes requisitos técnicos: deve ter uma certa viscosidade para facilitar a pulverização, ser capaz de formar uma camada fina uniforme na superfície do molde metálico; após a secagem, o revestimento não deve rachar ou descolar e deve ser fácil de remover; deve ter uma elevada refractariedade; não deve gerar uma grande quantidade de gás a altas temperaturas; não deve reagir quimicamente com a liga (excepções para requisitos especiais).
Embora o revestimento possa reduzir a velocidade de arrefecimento das peças fundidas no molde metálico, continua a existir uma certa dificuldade na produção de peças de ferro dúctil (como cambotas) com moldes metálicos que utilizam revestimentos, porque a velocidade de arrefecimento das peças fundidas continua a ser demasiado rápida e as peças fundidas são propensas a ficar com a boca branca.
Se for utilizado um molde de areia, a fundição tem uma velocidade de arrefecimento mais lenta, mas a contração ou a porosidade ocorrem facilmente na junção quente.
A aplicação de uma camada de areia de 4-8 mm na superfície do molde metálico pode resultar em peças fundidas de ferro dúctil satisfatórias.
A camada de areia regula eficazmente a velocidade de arrefecimento da fundição, evitando, por um lado, a ocorrência de uma boca branca no corpo de ferro fundido e, por outro, tornando a taxa de arrefecimento mais rápida do que a fundição em areia.
Os moldes metálicos não se desintegram, mas uma fina camada de areia de resina pode reduzir adequadamente a resistência à contração das peças fundidas. Além disso, os moldes metálicos têm uma boa rigidez, limitando eficazmente a expansão da grafite esferoidal, conseguindo uma fundição sem riser, eliminando a folga e melhorando a compacidade das peças fundidas.
Se a camada de areia do molde de metal for feita de areia de resina, geralmente pode ser coberta por jato de areia. A temperatura do molde de metal deve estar entre 180-200 ℃. Os moldes de metal de areia de resina podem ser usados para produzir ferro dúctil, ferro cinzento ou peças fundidas de aço, e seus efeitos técnicos são significativos.
As formas de melhorar a vida útil dos moldes metálicos incluem:
1. Seleção de materiais com elevada condutividade térmica, baixo coeficiente de expansão térmica e elevada resistência para o fabrico de moldes metálicos;
2. Tecnologia de revestimento adequada, seguindo rigorosamente as especificações do processo;
3. A estrutura do molde metálico deve ser razoável e as tensões residuais devem ser eliminadas durante o processo de fabrico;
4. Os grãos do material do molde metálico devem ser pequenos.
Para garantir a qualidade da fundição, simplificar a estrutura do molde metálico e explorar plenamente os seus benefícios técnicos e económicos, deve ser realizada uma análise inicial da estrutura de fundição e deve ser estabelecido um processo de fundição razoável.
A qualidade da conceção do processo de uma estrutura de fundição de moldes metálicos é um pré-requisito para garantir a qualidade da fundição e explorar as vantagens da fundição de moldes metálicos. Uma estrutura de fundição razoável deve aderir aos seguintes princípios:
(1) A estrutura de fundição não deve impedir a desmoldagem ou o encolhimento;
(2) A variação da espessura não deve ser demasiado grande para evitar diferenças de temperatura significativas, que conduzam a fissuras de retração e porosidade na peça fundida;
(3) A espessura mínima da parede dos moldes metálicos fundidos deve ser limitada.
Além disso, a precisão e a suavidade das superfícies não maquinadas da peça fundida devem ser adequadamente exigidas.
A posição de vazamento da peça fundida está diretamente relacionada com o número de núcleos e superfícies de separação, a posição de introdução do metal líquido, o efeito de alimentação do riser, o grau de suavidade do escape e a complexidade do molde metálico.
Os princípios para selecionar a posição de vazamento são os seguintes:
1. Assegurar que o líquido metálico flua suavemente durante o enchimento, permitindo uma ventilação fácil e evitando a entrada de ar e a oxidação do metal;
2. Promover a solidificação sequencial e uma boa contração para garantir a aquisição de peças fundidas de estrutura densa;
3. O número de núcleos deve ser reduzido ao mínimo e estes devem ser fáceis de colocar, estáveis e fáceis de desmoldar;
4. Facilitar a simplificação do metal estrutura do molde e a facilidade de desmoldagem da peça fundida.
As formas da superfície de corte são geralmente verticais, horizontais e combinadas (corte vertical, corte horizontal misto ou corte curvo). Os princípios para a seleção da superfície de corte são os seguintes:
1. Para simplificar a estrutura do molde de metal e melhorar a precisão da fundição, a forma da fundição mais simples deve ser disposta dentro do meio molde, ou a maior parte dela deve ser disposta dentro do meio molde;
2. O número de superfícies de separação deve ser minimizado para assegurar o aspeto estético da peça fundida e para facilitar a desmoldagem e a colocação do núcleo;
3. A superfície de partição selecionada deve assegurar que o ajuste das comportas e dos risers seja conveniente, permitindo um fluxo suave do metal durante o enchimento e facilitando a expulsão do gás da cavidade do molde;
4. A superfície de corte não deve ser selecionada na superfície de referência da maquinagem;
5. Evitar, tanto quanto possível, superfícies de corte curvas para reduzir o número de peças desmontadas e de componentes móveis do molde.
Os seguintes factores devem ser considerados na conceção do sistema de fundição devido às características específicas da fundição em molde metálico: a velocidade da fundição em metal é elevada, excedendo a dos moldes de areia em cerca de 20%.
Além disso, o gás na cavidade do molde deve ser capaz de ser expelido suavemente quando o metal líquido enche o molde. A direção do seu fluxo deve ser tão consistente quanto possível com a direção do fluxo do líquido, empurrando efetivamente o gás para o tubo de elevação ou para o tubo de ventilação.
Para além disso, deve ter-se o cuidado de assegurar que o metal líquido flui suavemente durante o processo de enchimento, sem criar qualquer turbulência, sem embater na parede do molde ou nos núcleos, nem causar salpicos.
O sistema de fundição de moldes metálicos divide-se geralmente em três categorias: gating superior, gating inferior e gating lateral.
(1) Revestimento superior: Este método tem uma distribuição de calor razoável, o que é benéfico para a solidificação sequencial e pode reduzir o consumo de metal líquido. No entanto, o fluxo de metal líquido é instável, o que pode causar inclusões. Quando a altura de fundição é elevada, pode afetar o fundo do molde ou os núcleos. Se for usado para fundir peças de liga de alumínio, geralmente só é adequado para peças simples com uma altura inferior a 100 milímetros.
(2) Porta inferior: O metal líquido flui mais suavemente, o que é benéfico para a ventilação. No entanto, a distribuição da temperatura não é razoável, o que não favorece a solidificação suave da peça fundida.
(3) Bloqueio lateral: Este método apresenta as vantagens dos dois métodos acima referidos. O metal líquido flui suavemente, o que facilita a recolha de escórias e a ventilação. No entanto, o consumo de metal líquido é elevado e há uma grande carga de trabalho para a limpeza das comportas.
A estrutura do sistema de fundição em molde metálico é basicamente semelhante à da fundição em molde de areia.
No entanto, como a parede metálica do molde não é respirável e tem uma forte condutividade térmica, a estrutura do sistema de fundição deve facilitar a redução da velocidade do fluxo do metal líquido, garantir um fluxo suave e reduzir o seu impacto na parede do molde.
Para além de garantir que o gás na cavidade do molde tem tempo suficiente para ser expelido, deve também garantir que não ocorrem salpicos durante o processo de enchimento.
Na fundição de metais ferrosos com moldes metálicos, devido à elevada velocidade de arrefecimento da peça fundida e ao rápido aumento da viscosidade do fluxo de líquido, é frequentemente utilizado um sistema de comportas fechado. A razão entre as áreas da secção transversal das suas várias partes é: F_interior : F_transversal : F_vertical = 1 : 1,15 : 1,25
Os tubos de elevação na fundição de moldes metálicos têm as mesmas funções que os tubos de elevação na fundição de moldes de areia: compensam a contração, recolhem as escórias e ventilam. Os princípios de projeto para os tubos de elevação em moldes de metal são os mesmos que para os tubos de elevação em moldes de areia.
Uma vez que os moldes metálicos arrefecem mais rapidamente e os tubos de elevação utilizam frequentemente revestimentos isolantes ou camadas de areia, o tamanho dos tubos de elevação nos moldes metálicos pode ser inferior ao dos moldes de areia.
Secção Editorial: Parâmetros do processo de fundição em moldes metálicos
Devido às características do processo de molde de metal, os parâmetros do processo das suas peças fundidas são ligeiramente diferentes dos das peças fundidas em molde de areia.
A taxa de contração linear das peças fundidas em molde de metal não está apenas relacionada com a contração linear da liga, mas também com a estrutura da peça fundida, a obstrução da contração no molde de metal, a temperatura de desmoldagem da peça fundida, a expansão e a mudança de tamanho do molde de metal após o aquecimento, etc. O seu valor também precisa de considerar a possibilidade de deixar espaço para a modificação do tamanho durante o processo de fundição experimental.
Para remover o núcleo metálico do molde e a peça fundida, deve ser feita uma tiragem adequada na direção da remoção do núcleo e da desmoldagem da peça fundida. Consulte os manuais relevantes para obter informações sobre a tiragem de fundição de várias ligas de fundição diferentes.
A precisão das peças fundidas em moldes metálicos é geralmente superior à das peças fundidas em moldes de areia, pelo que a margem de maquinação pode ser menor, geralmente entre 0,5 e 4 mm.
Depois de determinar os parâmetros do processo de fundição, o desenho do processo de fundição em molde de metal pode ser desenhado. Este desenho é basicamente o mesmo que o desenho do processo de fundição em molde de areia.
Depois de desenhado o diagrama do processo de fundição, o projeto do molde metálico pode prosseguir. O projeto envolve principalmente a determinação da estrutura, dimensões, núcleo, sistema de escape e mecanismo de ejeção do molde metálico.
A conceção do molde metálico deve ter como objetivo a simplicidade da estrutura, a facilidade de maquinagem, a seleção de materiaise garantir a segurança e a fiabilidade.
A estrutura do molde metálico depende da forma e do tamanho da peça fundida, do número de superfícies de corte, do tipo de liga e do volume de produção. Com base na posição da superfície de corte, existem várias formas de estruturas de moldes metálicos:
1. Molde integral de metal: Este molde não tem superfície de separação e tem uma estrutura simples, adequada para peças fundidas de forma simples sem superfície de separação.
2. Molde de metal de corte horizontal: Este molde é adequado para peças fundidas de rodas com paredes finas.
3. Molde de metal de corte vertical: Este tipo de molde é conveniente para estabelecer sistemas de fecho e escape, fácil de abrir e fechar e adequado para produção mecanizada. É frequentemente utilizado para a produção de pequenas peças fundidas simples.
4. Molde de metal de corte composto: Consiste em duas ou mais superfícies de separação, ou mesmo blocos móveis, geralmente utilizados para a produção de peças fundidas complexas. É conveniente para operar e amplamente utilizado na produção.
O corpo principal de um molde metálico refere-se à parte que forma a cavidade do molde e é utilizado para formar a forma externa da peça fundida. A estrutura do corpo principal está relacionada com o tamanho da peça fundida, a sua posição de vazamento no molde, a superfície de separação e o tipo de liga.
O projeto deve procurar obter dimensões exactas da cavidade do molde, facilitar a criação de sistemas de fecho e de exaustão, facilitar a ejeção da peça fundida e garantir resistência e rigidez suficientes.
Dependendo da complexidade da peça fundida e do tipo de liga, podem ser utilizados diferentes materiais para o núcleo do molde.
Geralmente, os núcleos de areia são utilizados para fundir peças complexas de paredes finas ou ligas de elevado ponto de fusão (como o aço inoxidável e o ferro fundido), enquanto os núcleos de metal são maioritariamente utilizados para fundir ligas de baixo ponto de fusão (como o alumínio e as ligas de magnésio). Os núcleos de areia e os núcleos de metal também podem ser utilizados em conjunto na mesma fundição.
Ao projetar um molde metálico, é essencial um sistema de exaustão. Os seguintes métodos podem ser utilizados para a exaustão:
(1) Utilizar a folga entre a superfície de separação ou a superfície de combinação da cavidade do molde para a exaustão.
(2) Criar uma ranhura de escape na superfície de separação ou na superfície de combinação da cavidade do molde, no assento do núcleo ou na superfície da haste ejectora.
(3) Instalar os orifícios de exaustão, que estão geralmente localizados no ponto mais alto do molde metálico.
(4) Os tampões de escape são normalmente utilizados em moldes metálicos.
As partes irregulares da cavidade do molde de metal podem dificultar a contração da peça fundida, causando resistência quando a peça fundida é desmoldada. Deve ser utilizado um mecanismo ejetor para ejetar a peça fundida.
Ao conceber o mecanismo ejetor, devem ser tidos em conta os seguintes pontos: evitar danos na peça fundida, ou seja, evitar que a peça fundida seja deformada ou amolgada pela ejeção; evitar que a haste ejectora fique presa.
A folga entre a haste de ejeção e o orifício de ejeção deve ser adequada. Se a folga for demasiado grande, o metal pode entrar facilmente; se for demasiado pequena, pode causar encravamento. A experiência sugere a utilização de uma correspondência de nível D4/dC4.
Quando um molde metálico está a ser montado, é necessário um posicionamento preciso das duas metades. Isto é geralmente conseguido de duas formas: posicionamento de pinos e posicionamento de "paragem". Para o corte vertical com uma superfície de corte circular, pode ser utilizado o posicionamento de "paragem", enquanto o posicionamento de pinos é mais utilizado para superfícies de corte rectangulares.
O pino de posicionamento deve estar localizado dentro do contorno da superfície de corte. Quando o molde metálico em si é grande e pesado, para garantir um posicionamento conveniente durante a abertura e o fecho do molde, pode ser adotado um formato de guia.
A partir da análise das causas da falha do molde metálico, os materiais utilizados para fabricar moldes metálicos devem cumprir os seguintes requisitos: boa resistência ao calor e condutividade térmica; nenhuma deformação ou dano quando repetidamente aquecido; certa força, dureza e resistência ao desgaste; boa maquinabilidade.
O ferro fundido é o material mais comummente utilizado para moldes metálicos. Tem boa maquinabilidade, é barato e pode ser fabricado nas fábricas em geral. Além disso, é resistente ao calor e ao desgaste, o que o torna um material de molde metálico adequado. O aço-carbono e o aço de baixa liga só são utilizados quando são necessários requisitos elevados.
A utilização de ligas de alumínio no fabrico de moldes metálicos tem atraído a atenção no estrangeiro. A superfície dos moldes de alumínio pode ser submetida a um tratamento de oxidação anódica, resultando numa película de óxido composta por Al2O3 e Al2O3-H2O.
Esta película tem um elevado ponto de fusão e dureza, e é resistente ao calor e ao desgaste. É relatado que esses moldes de alumínio metálico, ao usar medidas de resfriamento de água, podem não apenas alumínio fundido e peças de cobre, mas também pode ser utilizado para fundir peças fundidas de metais ferrosos.
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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