A fundição de metais é um processo fundamental na fabricação, mas você já se perguntou como ela se compara à fundição em areia? Este artigo analisa as vantagens e desvantagens técnicas e econômicas de ambos os métodos, oferecendo uma comparação clara de seu desempenho, custos e aplicações específicas. Os leitores obterão uma compreensão abrangente de qual método de fundição é mais adequado às diferentes necessidades de fabricação, garantindo decisões informadas na produção.
Comparando a fundição em molde de metal com a fundição em molde de areia, há inúmeras vantagens técnicas e econômicas:
(1) As peças fundidas produzidas por moldes de metal têm propriedades mecânicas superiores àquelas fundidas em moldes de areia. Para a mesma liga, a resistência à tração pode aumentar em aproximadamente 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 maiores do que as feitas 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 e, em geral, economizando 15-30%.
(4) O uso de areia é eliminado ou minimizado, geralmente economizando 80-100% de materiais de molde.
Além disso, a fundição de moldes de metal tem uma alta eficiência de produção; as causas de defeitos de fundição são reduzidos; o processo é simples, fácil de mecanizar e automatizar.
Apesar das vantagens da fundição de moldes metálicos, também existem desvantagens, como:
(1) O custo da produção de moldes de metal é alto.
(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 de metal, fatores como a temperatura de trabalho do molde, a temperatura e a velocidade de vazamento da liga, o tempo que a fundição permanece no molde e o tipo de revestimento usado podem afetar significativamente a qualidade da fundição e exigem um controle rigoroso.
Portanto, ao decidir usar a fundição de molde de metal, é necessário considerar os seguintes fatores de forma abrangente: a forma e o peso da fundição devem ser adequados; deve haver tamanho de lote suficiente; e o prazo de produção deve permitir.
Há diferenças significativas entre os moldes de metal e de areia em termos de suas propriedades. Por exemplo, os moldes de areia são respiráveis, enquanto os moldes de metal não são.
Os moldes de areia têm baixa condutividade térmica, enquanto os moldes de metal são excelentes nesse aspecto. Os moldes de areia são retráteis, mas os moldes de metal não são. Essas características dos moldes de metal determinam seus princípios exclusivos 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 de metal, os gases dentro da cavidade do molde devem ser expelidos rapidamente. Entretanto, a falta de respirabilidade do metal significa que uma pequena negligência no processo pode afetar negativamente a qualidade da fundição.
Características do calor durante a solidificação do molde: Quando o metal fundido entra na cavidade do molde, ele transfere calor para a parede metálica do molde. O metal líquido perde calor através da parede do molde, levando à solidificação e ao encolhimento.
Enquanto isso, a parede do molde se expande à medida que se 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 resfriada dentro da "fenda", enquanto a parede do molde é aquecida através da "fenda".
O impacto do molde de metal que impede a contração na fundição: Os moldes de metal ou os moldes com núcleo de metal não se retraem durante o processo de solidificação da fundição, impedindo o encolhimento da fundição - outra característica exclusiva deles.
Os moldes de metal não pré-aquecidos não podem ser usados para fundição devido à sua alta condutividade térmica. Se o metal líquido esfriar muito rapidamente, sua fluidez diminui drasticamente, levando a defeitos de fundição, como fechamento a frio, inclusões de vazamento insuficientes e porosidade.
Os moldes de metal não pré-aquecidos são propensos a danos por choque térmico e aumento da tensão durante a fundição. Portanto, os moldes de metal devem ser pré-aquecidos antes do uso.
O apropriado temperatura de pré-aquecimento A temperatura de pré-aquecimento (ou seja, a temperatura operacional) depende do tipo de liga, da estrutura e do tamanho da peça fundida, e geralmente é determinada por meio de testes. Como regra geral, a temperatura de pré-aquecimento de um molde de metal não deve ser inferior a 1500C.
Os métodos de pré-aquecimento de moldes de metal incluem:
(1) Pré-aquecimento com um maçarico ou chama de gás.
(2) Usando um aquecedor de resistência.
(3) Usar um forno para aquecimento, que fornece uma temperatura uniforme, mas só é adequado para moldes metálicos pequenos.
(4) Pré-aquecimento do molde de metal em um forno e, em seguida, fundição de metal líquido para aquecer o molde. Esse método só é adequado para moldes pequenos, pois desperdiça um pouco de metal líquido e pode diminuir a vida útil do molde.
A temperatura de vazamento para moldes de metal é geralmente mais alta do que para fundição em areia e pode ser determinada com base no tipo de liga, sua composição química e o tamanho e a espessura da fundição, por meio de testes. Os dados a seguir podem ser usados como referência.
Temperaturas de derramamento para várias ligas:
Devido ao resfriamento rápido e à natureza não porosa dos moldes de metal, a velocidade de vazamento deve ser lenta no início, depois rápida e, por fim, lenta novamente. É essencial manter um fluxo constante de líquido durante o processo de vazamento.
Quanto mais tempo um núcleo de metal permanecer em uma fundição, maior será a aderência ao núcleo devido ao encolhimento da fundição, exigindo, portanto, maior força de retirada do núcleo.
A duração ideal para um núcleo metálico permanecer dentro de uma fundição é quando a fundição tiver esfriado até uma faixa de temperatura de deformação plástica e tiver resistência suficiente, sendo esse o melhor momento para retirar o núcleo.
Se o molde ficar muito tempo na matriz metálicaQuando a temperatura da parede da matriz aumenta, é necessário mais tempo de resfriamento e a produtividade da matriz de metal é reduzida.
O tempo mais adequado para a retirada do núcleo e a remoção do molde é normalmente determinado por meio de métodos experimentais.
Para garantir a estabilidade da qualidade das peças fundidas em molde de metal e a produção normal, é fundamental manter uma mudança constante de temperatura no molde de metal durante a produção.
Portanto, após cada vazamento, o molde de metal deve ser aberto e deixado por um determinado período até que esfrie até a temperatura especificada antes do próximo vazamento.
Se depender do resfriamento natural, o tempo necessário é maior, o que reduz a produtividade, portanto, o resfriamento forçado é comumente usado. Geralmente, há vários métodos de resfriamento:
1. Resfriamento a ar: Sopro de ar ao redor do exterior do molde de metal para aumentar a dissipação de calor por convecção. Embora a estrutura de um molde de metal resfriado a ar seja simples, fácil de fabricar e de baixo custo, o efeito de resfriamento não é particularmente ideal.
2. Resfriamento indireto a água: Instalação de uma camisa de água na parte traseira ou em uma parte específica do molde de metal. Seu efeito de resfriamento é melhor do que o do resfriamento a ar e é adequado para a fundição de peças de cobre ou peças de ferro fundido forjáveis. No entanto, o resfriamento intenso para a fundição de peças de cinza de parede fina peças fundidas de ferro ou ferro fundido dúctil pode aumentar os defeitos de fundição.
3. Resfriamento direto com água: Fazer uma camisa de água diretamente na parte traseira ou em uma parte específica do molde de metal e resfriá-lo com água que flui pela camisa. Esse método é usado principalmente para fundir peças de aço ou outras peças fundidas em ligaonde é necessário um forte resfriamento do molde. Devido ao seu alto custo, ele só é aplicável à produção em larga escala.
Se a espessura da parede do molde variar muito, ao usar um molde de metal para a produção, um método comum é aquecer uma parte do molde de metal e resfriar outra parte para ajustar a distribuição de temperatura da parede do molde.
Durante o processo de fundição de moldes de metal, é comum aplicar um revestimento na superfície de trabalho do molde de metal.
O revestimento funciona para regular a velocidade de resfriamento das peças fundidas, proteger o molde de metal da erosão e do choque térmico causado pelo líquido metálico de alta temperatura e facilitar a liberação de gás por meio da camada de revestimento.
Dependendo da liga, o revestimento pode ter diversas fórmulas e, em geral, é composto por três tipos de substâncias:
1. Materiais refratários em pó (como óxido de zinco, pó de talco, pó de areia de zircônio, pó de terra diatomácea etc.);
2. Aglutinantes (geralmente água, vidro, xarope ou líquido residual de polpa de papel, etc.);
3. Solvente (água). As fórmulas específicas podem ser consultadas nos manuais relevantes. O revestimento deve atender aos seguintes requisitos técnicos: deve ter uma certa viscosidade para facilitar a pulverização, ser capaz de formar uma camada fina e uniforme na superfície do molde de metal; após a secagem, o revestimento não deve rachar ou descascar e deve ser fácil de remover; deve ter alta refratariedade; não deve gerar uma grande quantidade de gás em altas temperaturas; não deve reagir quimicamente com a liga (exceções para requisitos especiais).
Embora o revestimento possa reduzir a velocidade de resfriamento das peças fundidas no molde de metal, ainda há uma certa dificuldade na produção de peças de ferro dúctil (como virabrequins) com moldes de metal que usam revestimentos, porque a velocidade de resfriamento das peças fundidas ainda é muito rápida, e as peças fundidas são propensas a apresentar uma boca branca.
Se for usado um molde de areia, a fundição terá uma velocidade de resfriamento mais lenta, mas ocorrerá facilmente encolhimento ou porosidade na junção quente.
A aplicação de uma camada de areia de 4 a 8 mm na superfície do molde de metal pode resultar em fundições de ferro dúctil satisfatórias.
A camada de areia regula com eficácia a velocidade de resfriamento da fundição, evitando, por um lado, a ocorrência de uma boca branca no corpo de ferro fundido e, por outro lado, tornando a taxa de resfriamento mais rápida do que a fundição em areia.
Os moldes de metal não se desintegram, mas uma fina camada de areia de resina pode reduzir adequadamente a resistência ao encolhimento das peças fundidas. Além disso, os moldes de metal têm boa rigidez, limitando de forma eficaz a expansão do grafite esferoidal, obtendo uma fundição sem riser, eliminando a folga e melhorando a compactação das peças fundidas.
Se a camada de areia do molde de metal for feita de areia de resina, ela geralmente pode ser coberta com jato de areia. A temperatura do molde de metal deve estar entre 180-200°C. Os moldes metálicos de areia de resina podem ser usados para produzir peças fundidas de ferro dúctil, ferro cinzento ou aço, e seus efeitos técnicos são significativos.
As maneiras de melhorar a vida útil dos moldes de metal incluem:
1. Escolha de materiais com alta condutividade térmica, baixo coeficiente de expansão térmica e alta resistência para fabricar moldes de metal;
2. Tecnologia de revestimento adequada, seguindo rigorosamente as especificações do processo;
3. A estrutura do molde de metal deve ser razoável, e as tensões residuais devem ser eliminadas durante o processo de fabricação;
4. Os grãos do material do molde de metal devem ser pequenos.
Para garantir a qualidade da fundição, simplificar a estrutura do molde de metal e explorar totalmente seus benefícios técnicos e econômicos, é necessário realizar uma análise inicial da estrutura da fundição e estabelecer um processo de fundição razoável.
A qualidade do projeto do processo de uma estrutura de fundição de molde de metal é um pré-requisito para garantir a qualidade da fundição e explorar as vantagens da fundição de molde de metal. Uma estrutura de fundição razoável deve seguir os seguintes princípios:
(1) A estrutura de fundição não deve impedir a desmoldagem ou o encolhimento;
(2) A variação de espessura não deve ser muito grande para evitar diferenças significativas de temperatura, o que leva a rachaduras por contração e porosidade na fundição;
(3) A espessura mínima da parede dos moldes de metal fundido deve ser restrita.
Além disso, a precisão e a suavidade das superfícies não usinadas da peça fundida devem ser adequadamente exigidas.
A posição de vazamento da peça fundida está diretamente relacionada ao número de núcleos e superfícies de separação, à posição de introdução do metal líquido, ao efeito de alimentação do riser, ao grau de suavidade da exaustão e à complexidade do molde de metal.
Os princípios para selecionar a posição de vazamento são os seguintes:
1. Certifique-se de que o líquido metálico flua suavemente durante o enchimento, permitindo fácil ventilação e evitando a entrada de ar e a oxidação do metal;
2. Promover a solidificação sequencial e o bom encolhimento para garantir a obtenção de peças fundidas de estrutura densa;
3. O número de núcleos deve ser reduzido ao mínimo e eles 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 de superfície de corte são geralmente verticais, horizontais e combinadas (corte vertical, horizontal misto ou curvo). Os princípios para selecionar a 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 garantir a aparência estética da peça fundida e facilitar a desmoldagem e a colocação do núcleo;
3. A superfície de partição selecionada deve garantir que a configuração da porta e dos risers seja conveniente, permitindo o fluxo suave do metal durante o preenchimento e facilitando a expulsão de gás da cavidade do molde;
4. A superfície de corte não deve ser selecionada na superfície de referência da usinagem;
5. Evite superfícies de corte curvas o máximo possível para reduzir o número de peças desmontadas e componentes móveis do molde.
Os fatores a seguir devem ser considerados ao projetar o sistema de fundição devido às características específicas da fundição de moldes de metal: a velocidade da fundição de metal é alta, excedendo a dos moldes de areia em cerca de 20%.
Além disso, o gás na cavidade do molde deve poder ser expelido suavemente quando o metal líquido encher o molde. Sua direção de fluxo deve ser a mais consistente possível com a direção de fluxo do líquido, empurrando efetivamente o gás em direção ao riser ou ao riser de ventilação.
Além disso, deve-se tomar cuidado para garantir que o metal líquido flua suavemente durante o processo de enchimento, sem criar turbulência, impactar a parede ou os núcleos do molde ou causar respingos.
O sistema de fundição de moldes de metal geralmente se enquadra em três categorias: porta superior, porta inferior e porta lateral.
(1) Top gating: Esse método tem uma distribuição de calor razoável, o que é benéfico para a solidificação sequencial e pode reduzir o consumo de metal líquido. Entretanto, o fluxo de metal líquido é instável, o que pode causar inclusões. Quando a altura da fundição é alta, ela pode impactar 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 altura inferior a 100 milímetros.
(2) Porta inferior: O metal líquido flui mais suavemente, o que é benéfico para a ventilação. Entretanto, a distribuição de temperatura não é razoável, o que não favorece a solidificação suave da fundição.
(3) Porta lateral: Esse método tem as vantagens dos dois métodos mencionados anteriormente. O metal líquido flui suavemente, o que facilita a coleta e a ventilação da escória. No entanto, o consumo de metal líquido é alto, e há uma grande carga de trabalho para a limpeza das comportas.
A estrutura do sistema de fundição em molde de metal é basicamente semelhante à da fundição em molde de areia.
No entanto, como a parede do molde de metal não é respirável e tem 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 seu impacto na parede do molde.
Além de garantir que o gás na cavidade do molde tenha tempo suficiente para ser expelido, ele também deve garantir que não ocorram respingos durante o processo de enchimento.
Na fundição de metais ferrosos com moldes de metal, devido à alta velocidade de resfriamento da fundição e ao rápido aumento da viscosidade do fluxo de líquido, um sistema de passagem fechado é frequentemente usado. A proporção das áreas de seção transversal de suas várias partes é: F_interno : F_transversal : F_vertical = 1 : 1,15 : 1,25
Os risers na fundição de moldes de metal têm as mesmas funções que os risers na fundição de moldes de areia: eles compensam o encolhimento, coletam a escória e ventilam. Os princípios de projeto dos risers em moldes de metal são os mesmos dos risers em moldes de areia.
Como os moldes de metal esfriam mais rapidamente e os risers geralmente usam revestimentos isolantes ou camadas de areia, o tamanho dos risers nos moldes de metal pode ser menor do que nos moldes de areia.
Seção Editorial: Parâmetros de processo de fundição em molde de metal
Devido às características do processo de molde de metal, os parâmetros de processo de suas fundições são ligeiramente diferentes daqueles das fundições de molde de areia.
A taxa de encolhimento linear das peças fundidas em molde de metal não está relacionada apenas ao encolhimento linear da liga, mas também à estrutura da peça fundida, à obstrução do encolhimento no molde de metal, à temperatura de desmoldagem da peça fundida, à expansão e à mudança de tamanho do molde de metal após o aquecimento, etc. Seu valor também precisa considerar a possibilidade de deixar espaço para a modificação do tamanho durante o processo de fundição experimental.
Para remover o núcleo do molde de metal 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 molde de metal é geralmente maior do que a das peças fundidas em molde de areia, portanto, a margem de usinagem 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 do molde de metal pode ser feito. Esse desenho é basicamente o mesmo que o desenho do processo de fundição em molde de areia.
Depois que o diagrama do processo de fundição é desenhado, o projeto do molde de metal pode prosseguir. O projeto envolve principalmente a determinação da estrutura, das dimensões, do núcleo, do sistema de exaustão e do mecanismo de ejeção do molde de metal.
O projeto do molde de metal deve ter como objetivo a simplicidade da estrutura, a conveniência da usinagem, a seleção de materiaise garantir a segurança e a confiabilidade.
A estrutura do molde de metal depende da forma e do tamanho da peça fundida, do número de superfícies de separação, do tipo de liga e do volume de produção. Com base na posição da superfície de corte, há várias formas de estruturas de molde de metal:
1. Molde de metal integral: Esse molde não tem superfície de separação e tem uma estrutura simples, adequada para peças fundidas de formato simples sem superfície de separação.
2. Molde de metal de corte horizontal: Esse molde é adequado para peças fundidas de rodas com paredes finas.
3. Molde de metal de corte vertical: Esse tipo de molde é conveniente para o estabelecimento de sistemas de portas e exaustão, fácil de abrir e fechar e adequado para produção mecanizada. Geralmente é usado para a produção de peças fundidas pequenas e simples.
4. Molde de metal de corte composto: Consiste em duas ou mais superfícies de separação, ou até mesmo blocos móveis, geralmente usados para a produção de peças fundidas complexas. É fácil de operar e amplamente utilizado na produção.
O corpo principal de um molde de metal refere-se à parte que forma a cavidade do molde e é usado para formar a forma externa da peça fundida. A estrutura do corpo principal está relacionada ao tamanho da peça fundida, à sua posição de vazamento no molde, à superfície de separação e ao tipo de liga.
O projeto deve buscar dimensões exatas da cavidade do molde, facilitar o estabelecimento de sistemas de passagem e exaustão, facilitar a ejeção da peça fundida e ter resistência e rigidez suficientes.
Dependendo da complexidade da fundição e do tipo de liga, diferentes materiais podem ser usados para o núcleo do molde.
Geralmente, os núcleos de areia são usados para fundir peças complexas de paredes finas ou ligas de alto ponto de fusão (como aço inoxidável, ferro fundido), enquanto os núcleos de metal são usados principalmente para fundir ligas de baixo ponto de fusão (como alumínio, ligas de magnésio). Os núcleos de areia e os núcleos de metal também podem ser usados juntos na mesma fundição.
Ao projetar um molde de metal, um sistema de exaustão é essencial. Os seguintes métodos podem ser usados para a exaustão:
(1) Use a folga entre a superfície de separação ou a superfície de combinação da cavidade do molde para a exaustão.
(2) Crie 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 ejetora.
(3) Instale os orifícios de exaustão, que geralmente estão localizados no ponto mais alto do molde de metal.
(4) Os plugues de exaustão são comumente usados em moldes de metal.
As partes irregulares da cavidade do molde de metal podem dificultar o encolhimento da peça fundida, causando resistência quando a peça fundida é desmoldada. Um mecanismo ejetor deve ser usado para ejetar a peça fundida.
Ao projetar o mecanismo ejetor, os seguintes pontos devem ser observados: evitar danos à fundição, ou seja, evitar que a fundição seja deformada ou amassada pela ejeção; evitar que a haste do ejetor fique presa.
A folga entre a haste do ejetor e o orifício do ejetor deve ser adequada. Se a folga for muito grande, o metal pode entrar facilmente; se for muito pequena, pode causar emperramento. A experiência sugere o uso de correspondência de nível D4/dC4.
Quando um molde de metal está sendo montado, é necessário um posicionamento preciso das duas metades. Isso geralmente é obtido de duas maneiras: posicionamento de pino e posicionamento de "parada". Para o corte vertical com uma superfície de corte circular, pode ser usado o posicionamento de "parada", enquanto o posicionamento de pino é usado principalmente para superfícies de corte retangulares.
O pino de posicionamento deve estar localizado dentro do contorno da superfície de separação. Quando o próprio molde de metal for grande e pesado, para garantir um posicionamento conveniente durante a abertura e o fechamento do molde, pode ser adotado um formato de guia.
A partir da análise das causas da falha do molde de metal, os materiais usados para fabricar moldes de metal devem atender aos seguintes requisitos: boa resistência ao calor e condutividade térmica; nenhuma deformação ou dano quando aquecidos repetidamente; certa força, tenacidade e resistência ao desgaste; boa usinabilidade.
O ferro fundido é o material mais comumente usado para moldes de metal. Ele tem boa usinabilidade, é barato e pode ser fabricado por conta própria em fábricas em geral. Além disso, é resistente ao calor e ao desgaste, o que o torna um material adequado para moldes de metal. O aço carbono e o aço de baixa liga são usados somente quando são necessários requisitos elevados.
O uso de ligas de alumínio na fabricação de moldes de metal tem atraído a atenção no exterior. A superfície dos moldes de alumínio pode passar por um tratamento de oxidação anódica, resultando em um filme de óxido composto de Al2O3 e Al2O3-H2O.
Esse filme tem alto ponto de fusão e dureza, além de ser resistente ao calor e ao desgaste. Há relatos de que esses moldes de alumínio metálico, ao usar medidas de resfriamento a água, podem não apenas alumínio fundido e peças de cobre, mas também pode ser usado para fundir peças fundidas de metais ferrosos.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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