Fundição de investimento - Investment casting

Tampa de entrada-saída de uma válvula para uma usina nuclear produzida usando fundição de investimento

A fundição por revestimento é um processo industrial baseado na fundição por cera perdida , uma das mais antigas técnicas de conformação de metal conhecidas. O termo "fundição por cera perdida" também pode se referir a processos modernos de fundição de investimento.

A fundição de revestimento tem sido usada de várias formas nos últimos 5.000 anos. Em suas primeiras formas, a cera de abelha foi usada para formar os padrões necessários para o processo de fundição. Hoje, ceras mais avançadas, materiais refratários e ligas especializadas são normalmente usados ​​para fazer padrões. A fundição de investimento é valorizada por sua capacidade de produzir componentes com precisão, repetibilidade, versatilidade e integridade em uma variedade de metais e ligas de alto desempenho.

Os frágeis padrões de cera devem resistir às forças encontradas durante a confecção do molde. Grande parte da cera usada na fundição de investimento pode ser recuperada e reutilizada. A fundição de espuma perdida é uma forma moderna de fundição de revestimento que elimina certas etapas do processo.

A fundição por revestimento é assim chamada porque o processo investe (envolve) o padrão com material refratário para fazer um molde, e uma substância fundida é fundida no molde. Os materiais que podem ser fundidos incluem ligas de aço inoxidável, latão, alumínio, aço carbono e vidro. A cavidade dentro do molde refratário é uma duplicata exata da peça desejada. Devido à dureza dos materiais refratários usados, a fundição de investimento pode produzir produtos com qualidades de superfície excepcionais, o que pode reduzir a necessidade de processos de máquina secundários.

Fundição por investimento de vidro de água e sol de sílica são os dois métodos principais de fundição por investimento atualmente. As principais diferenças são a rugosidade da superfície e o custo de fundição. O método do vidro para água desparafina na água de alta temperatura, e o molde de cerâmica é feito de areia de quartzo para vidro para água. O método do sol de sílica desparafina no fogo instantâneo e a areia de zircão de sol de sílica faz o molde de cerâmica. O método do sol de sílica custa mais, mas tem uma superfície melhor do que o método do copo d'água.

O processo pode ser usado tanto para peças fundidas pequenas de algumas onças quanto para peças fundidas grandes, pesando várias centenas de libras. Pode ser mais caro do que fundição sob pressão ou fundição em areia , mas os custos por unidade diminuem com grandes volumes. A fundição de revestimento pode produzir formas complicadas que seriam difíceis ou impossíveis com outros métodos de fundição. Ela também pode produzir produtos com qualidades de superfície excepcionais e tolerâncias baixas com acabamento mínimo de superfície ou usinagem necessária.

Processo

Um padrão de cera usado para criar uma lâmina de turbina de motor a jato

As peças fundidas podem ser feitas a partir de um modelo original em cera (o método direto) ou a partir de réplicas em cera de um padrão original que não precisa ser feito em cera (o método indireto). As etapas a seguir descrevem o processo indireto, que pode levar de dois a sete dias para ser concluído.

  1. Produza um padrão mestre : um artista ou fabricante de moldes cria um padrão original de cera , argila , madeira , plástico ou outro material. Nos últimos anos, a produção de padrões usando impressão 3D tornou-se popular usando principalmente impressoras SLA ou DLP baseadas em resina para padrões de alta resolução ou filamento PLA padrão quando altos níveis de precisão não são necessários. Se estiver usando um padrão impresso em 3D, vá diretamente para a etapa 5.
  2. Criar um molde : um molde , conhecido como matriz principal , é feito para se ajustar ao padrão principal. Se o padrão principal foi feito de aço, a matriz principal pode ser fundida diretamente do padrão usando metal com um ponto de fusão inferior. Os moldes de borracha também podem ser fundidos diretamente a partir do padrão mestre. Como alternativa, uma matriz mestre pode ser usinada de forma independente - sem criar um padrão mestre.
  3. Produza padrões de cera : embora sejam chamados de padrões de cera , os materiais dos padrões também podem incluir plástico e mercúrio congelado . Os padrões de cera podem ser produzidos de duas maneiras. Em um processo, a cera é derramada no molde e girada até que um revestimento uniforme, geralmente com cerca de 3 mm (0,12 pol.) De espessura, cubra a superfície interna do molde. Isso é repetido até que a espessura do padrão desejada seja alcançada. Outro método envolve encher todo o molde com cera derretida e deixá-lo esfriar como um objeto sólido.
    Se um núcleo for necessário, existem duas opções: cera solúvel ou cerâmica. Os núcleos de cera solúvel são projetados para derreter fora do revestimento de revestimento com o resto do padrão de cera; os núcleos de cerâmica são removidos após o endurecimento do produto.
  4. Montar padrões de cera : vários padrões de cera podem ser criados e montados em um grande padrão para ser fundido em um único lote. Nessa situação, os padrões são anexados a um sprue de cera para criar um agrupamento de padrões, ou árvore. Para anexar padrões, uma ferramenta de aquecimento é usada para derreter ligeiramente as superfícies de cera designadas, que são pressionadas umas contra as outras e deixadas para esfriar e endurecer. Até várias centenas de padrões podem ser montados em uma árvore. Os padrões de cera também podem ser rastreados , o que significa que as linhas de separação ou rufos são apagados usando a ferramenta de metal aquecida. Finalmente, os padrões são vestidos (removendo imperfeições) para parecerem peças acabadas.
  5. Aplicar materiais de revestimento : O molde de cerâmica, conhecido como o investimento , é produzido pela repetição de uma série de passos de revestimento, estucadoras, e endurecimento, até uma espessura desejada seja obtida. O revestimento envolve a imersão de um aglomerado de padrões em uma pasta de material refratário fino e a drenagem para criar um revestimento de superfície uniforme. Materiais finos são usados ​​nesta primeira etapa, também chamada de revestimento primário , para preservar os detalhes finos do molde. O estuque aplica partículas grossas de cerâmica mergulhando os padrões em um leito fluidizado , colocando-os em uma lixadeira de chuva ou aplicando materiais à mão. O endurecimento permite que os revestimentos curem. Essas etapas são repetidas até que o revestimento alcance a espessura necessária - geralmente 5 a 15 mm (0,2 a 0,6 pol.). Os moldes de revestimento são deixados para secar completamente, o que pode levar de 16 a 48 horas. A secagem pode ser acelerada aplicando vácuo ou minimizando a umidade do ambiente. Os moldes de revestimento também podem ser criados colocando os grupos de padrões em um frasco e, em seguida, despejando o material de revestimento líquido de cima. O frasco é então vibrado para permitir que o ar preso escape e ajude o material de revestimento a preencher quaisquer pequenos vazios. Os materiais refratários comuns usados ​​para criar os investimentos são: sílica, zircão, vários silicatos de alumínio e alumina. A sílica é geralmente usada na forma de sílica fundida , mas às vezes o quartzo é usado porque é mais barato. Os silicatos de alumínio são uma mistura de alumina e sílica, onde as misturas comumente usadas têm um teor de alumina de 42 a 72%; com 72% de alumina, o composto é conhecido como mulita . Durante o (s) revestimento (s) primário (s), refratários à base de zircônio são comumente usados, porque o zircônio tem menor probabilidade de reagir com o metal fundido. Antes da sílica, era usada uma mistura de gesso e moldes velhos moídos ( chamotte ). Os ligantes usados ​​para manter o material refratário no lugar incluem: etil silicato (à base de álcool e endurecido quimicamente), sílica coloidal (à base de água, também conhecido como sol de sílica, endurecido por secagem), silicato de sódio e um híbrido destes controlados para pH e viscosidade .
  6. Dewax : Uma vez que os moldes de cerâmica estejam totalmente curados, eles são virados de cabeça para baixo e colocados em um forno ou autoclave para derreter e / ou vaporizar a cera. A maioria das falhas de casca ocorre neste ponto porque as ceras usadas têm um coeficiente de expansão térmica que é muito maior do que o material de revestimento ao seu redor - conforme a cera é aquecida, ela se expande e introduz tensão. Para minimizar essas tensões, a cera é aquecida o mais rápido possível para que as superfícies externas da cera possam derreter e drenar rapidamente, abrindo espaço para o resto da cera se expandir. Em certas situações, podem ser feitos furos no molde antes do aquecimento para ajudar a reduzir essas tensões. Qualquer cera que saia do molde é geralmente recuperada e reutilizada.
  7. Pré-aquecimento da queima : O molde é então submetido a uma queima , que aquece o molde entre 870 ° C e 1095 ° C para remover qualquer umidade e cera residual, e para sinterizar o molde. Às vezes, esse aquecimento também é usado para pré-aquecer o molde antes de despejar, mas outras vezes o molde pode esfriar para que possa ser testado. O pré-aquecimento permite que o metal permaneça líquido por mais tempo para que possa preencher melhor todos os detalhes do molde e aumentar a precisão dimensional. Se o molde for deixado para esfriar, as rachaduras encontradas podem ser reparadas com pasta de cerâmica ou cimentos especiais.
  8. Verter : O molde de revestimento é então colocado com a parte aberta para cima em uma cuba cheia de areia. O metal pode ser derramado por gravidade ou forçado pela aplicação de pressão de ar positiva ou outras forças. Fundição a vácuo , fundição por inclinação , vazamento assistido por pressão e fundição centrífuga são métodos que usam forças adicionais e são especialmente úteis quando os moldes contêm seções finas que de outra forma seriam difíceis de preencher.
  9. Desinvestimento : A carcaça é martelada, explodida na mídia , vibrada , submetida a jato de água ou dissolvida quimicamente (às vezes com nitrogênio líquido ) para liberar a fundição. O jito é cortado e reciclado. A fundição pode então ser limpa para remover sinais do processo de fundição, geralmente por moagem .
  10. Acabamento : Após a retificação, a fundição finalizada é submetida ao acabamento. Isso geralmente vai além do esmerilhamento, com impurezas e negativos sendo removidos por meio de ferramentas manuais e soldagem. Caso a peça necessite de endireitamento adicional, este processo geralmente é realizado por prensas endireitadeiras hidráulicas, que alinham o produto às suas tolerâncias.

Vantagens

  • Excelente acabamento superficial
  • Alta precisão dimensional
  • Peças extremamente complexas podem ser fundidas
  • Quase qualquer metal pode ser fundido
  • Sem linhas intermitentes ou divisórias
  • Utilização eficaz de metal
  • Menos riscos ambientais do processo de fundição

Desvantagens

A principal desvantagem é o custo geral, especialmente para produções de curta duração. Algumas das razões para o alto custo incluem equipamentos especializados, refratários caros e ligantes, muitas operações para fazer um molde, muita mão de obra é necessária e ocasionais defeitos diminutos ocorrem. No entanto, o custo ainda é menor do que produzir a mesma peça pela usinagem de estoque de barras ; por exemplo, a fabricação de armas mudou para fundição de investimento para reduzir os custos de produção de pistolas .

Além disso:

  • Pode ser difícil lançar objetos que requeiram núcleos.
  • Este processo é caro, geralmente limitado a pequenas peças fundidas e apresenta algumas dificuldades quando os núcleos estão envolvidos.
  • Os furos não podem ser menores do que 1/16 pol. (1,6 mm) e não devem ser mais profundos do que cerca de 1,5 vezes o diâmetro.
  • Fundições de investimento requerem ciclos de produção mais longos em comparação com outros processos de fundição.
  • Existem muitos fatores de processo que afetam a qualidade do molde e da fundição, portanto, o sistema de gerenciamento de qualidade é um desafio.

Fundição por contra-gravidade

A variação da técnica de vazamento por gravidade é preencher o molde usando vácuo. Uma forma comum disso é chamada de processo Hitchiner , em homenagem à Hitchiner Manufacturing Company que inventou a técnica. Nesta técnica, o molde tem um tubo de enchimento para baixo que é baixado para o fundido. Um vácuo puxa o fundido para a cavidade; quando as partes importantes se solidificam, o vácuo é liberado e o material não utilizado deixa o molde. A técnica pode usar substancialmente menos material do que o vazamento por gravidade porque o jito e algumas portas não precisam se solidificar.

Esta técnica é mais eficiente em termos de metal do que o vazamento tradicional porque menos material se solidifica no sistema de passagem. O vazamento por gravidade tem apenas um rendimento de metal de 15 a 50% em comparação com 60 a 95% para o vazamento por contra-gravidade. Também há menos turbulência, então o sistema de portas pode ser simplificado, uma vez que não precisa controlar a turbulência. O metal é retirado de baixo do topo da piscina, de forma que o metal esteja livre de impurezas e escória (que são de densidade mais baixa (mais leves) e flutuam até o topo da piscina). O diferencial de pressão ajuda o metal a fluir em todas as complexidades do molde. Finalmente, temperaturas mais baixas podem ser usadas, o que melhora a estrutura do grão.

Este processo também é usado para fundir cerâmicas refratárias sob o termo fundição a vácuo .

Fundição de pressão a vácuo

A fundição de pressão a vácuo ( VPC ), apropriadamente conhecida como vazamento direto assistido por vácuo , usa pressão de gás e vácuo para melhorar a qualidade da fundição e minimizar a porosidade . Normalmente as máquinas VPC consistem em uma câmara superior e uma inferior - a câmara superior, ou câmara de fusão, que aloja o cadinho, e a câmara de fundição inferior que aloja o molde de revestimento. Ambas as câmaras são conectadas por meio de um pequeno orifício contendo uma rolha. Um vácuo é puxado na câmara inferior, enquanto a pressão é aplicada na superior e, em seguida, a rolha é removida. Isso cria o maior diferencial de pressão para preencher os moldes. Os materiais mais comuns para o processo de fundição a vácuo são as ligas com alto teor de níquel e as superligas. Os produtos turbocompressores são uma aplicação comum para esse processo de fundição, embora também sejam usados ​​regularmente na fabricação de joias de prata e ouro.

Detalhes

A fundição de revestimento é usada com quase todos os metais fundíveis. No entanto, ligas de alumínio, ligas de cobre e aço são as mais comuns. No uso industrial, os limites de tamanho são de 3 g (0,1 oz) a várias centenas de quilogramas. Os limites da seção transversal são de 0,6 mm (0,024 pol.) A 75 mm (3,0 pol.). As tolerâncias típicas são 0,1 mm para os primeiros 25 mm (0,005 pol. Para a primeira polegada) e 0,02 mm para cada centímetro adicional (0,002 pol. Para cada polegada adicional). Um acabamento de superfície padrão é de 1,3–4 micrômetros (50–125 μin) RMS.

História

A história da fundição com cera perdida remonta a milhares de anos. Seu primeiro uso foi para ídolos , ornamentos e joias , usando cera de abelha natural para padrões, argila para os moldes e foles operados manualmente para fornos de alimentação. Exemplos foram encontrados em todo o mundo, como na Harappan Civilization (2500-2000 aC), ídolos, Egipto túmulos de 's Tutancâmon (1333-1324 aC), Mesopotâmia , asteca e maia do México , eo Benin civilização na África , onde o processo produziu obras de arte detalhadas de cobre, bronze e ouro.

O texto mais antigo conhecido que descreve o processo de fundição de investimento (Schedula Diversarum Artium) foi escrito por volta de 1100 DC por Theophilus Presbyter , um monge que descreveu vários processos de fabricação, incluindo a receita do pergaminho . Este livro foi usado pelo escultor e ourives Benvenuto Cellini (1500–1571), que detalhou em sua autobiografia o processo de fundição de investimento que usou para a escultura Perseu com a Cabeça de Medusa que fica na Loggia dei Lanzi em Florença , Itália .

A fundição de investimento começou a ser usada como um processo industrial moderno no final do século 19, quando os dentistas começaram a usá-la para fazer coroas e incrustações, conforme descrito por Barnabas Frederick Philbrook de Council Bluffs, Iowa em 1897. Seu uso foi acelerado por William H. Taggart de Chicago, cujo artigo de 1907 descreveu o desenvolvimento de uma técnica. Ele também formulou um composto de padrão de cera de excelentes propriedades, desenvolveu um material de revestimento e inventou uma máquina de fundição de pressão de ar.

Na década de 1940, a Segunda Guerra Mundial aumentou a demanda por fabricação de forma líquida de precisão e ligas especializadas que não podiam ser moldadas por métodos tradicionais ou que exigiam muita usinagem. Indústria voltada para fundição de investimento. Após a guerra, seu uso se espalhou para muitas aplicações comerciais e industriais que usavam peças de metal complexas.

Formulários

Revelando o satélite do ônibus espacial integral de titânio pela Planetary Resources em fevereiro de 2014. O molde sacrificial para a fundição foi impresso em 3D com roteamento de cabo integral e tanque de propelente toroidal. A partir da esquerda: Peter Diamandis , Chris Lewicki e Steve Jurvetson .

A fundição de investimento é usada nas indústrias aeroespacial e de geração de energia para produzir lâminas de turbinas com formatos complexos ou sistemas de resfriamento. As lâminas produzidas por microfusão podem incluir lâminas de cristal único (SX), solidificadas direcionalmente (DS) ou equiaxiais convencionais.

Fundição de investimento também é amplamente utilizada por fabricantes de armas de fogo para fabricar receptores de armas de fogo, gatilhos, martelos e outras peças de precisão a baixo custo.

Karsten Solheim revolucionou o design de tacos de golfe por meio de sua empresa PING , incorporando fundição de investimento pela primeira vez para cabeças de taco. Rapidamente, o processo se tornou um padrão da indústria para permitir a distribuição de peso em torno do perímetro da cabeça do taco.

Outros setores que usam peças fundidas de investimento padrão incluem os militares, aeroespacial, médico, joalheria, aviação, automotivo e clubes de golfe, especialmente desde o início da tecnologia de impressão 3D.

Com o aumento da disponibilidade de impressoras 3D de alta resolução , a impressão 3D começou a ser usada para fazer moldes de sacrifício muito maiores usados ​​em fundição de investimento. A Planetary Resources usou a técnica para imprimir o molde de um novo pequeno satélite , que é então mergulhado em cerâmica para formar o molde de investimento para um ônibus espacial de titânio com tanque de propelente integral e roteamento de cabo embutido.

Veja também

Referências

Notas

Bibliografia

links externos