I. Vantagens e desvantagens da fundição de metal
1. Vantagens
Comparando a fundição em molde de metal com a fundição em molde de areia, existem inúmeras vantagens técnicas e econômicas:
(1) As peças fundidas produzidas em moldes metálicos possuem propriedades mecânicas superiores às fundidas em moldes de areia. Para a mesma liga, a resistência à tração pode aumentar em aproximadamente 25%, o limite de 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 aquelas 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, geralmente economizando 15-30%.
(4) O uso de areia é eliminado ou minimizado, geralmente economizando 80-100% dos materiais do molde.
Além disso, a fundição em molde de metal tem uma alta eficiência de produção; as causas dos defeitos de fundição são reduzidas; o processo é simples, fácil de mecanizar e automatizar.
2. Desvantagens
Apesar das vantagens da fundição em molde metálico, também existem desvantagens, como:
(1) O custo de produção de moldes metálicos 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 de vazamento e a velocidade da liga, o tempo que a peça fundida permanece no molde e o tipo de revestimento usado podem afetar significativamente a qualidade da peça fundida. e exigem um controle rigoroso.
Portanto, ao decidir pela utilização da fundição em molde metálico, é necessário considerar de forma abrangente os seguintes fatores: a forma e o peso da peça fundida devem ser adequados; deve haver tamanho de lote suficiente; e o prazo de produção deve permitir.
II. Características do processo de fundição em molde metálico
Existem diferenças significativas entre moldes de metal e areia em termos de suas propriedades. Por exemplo, os moldes de areia são respiráveis, enquanto os moldes de metal não.
Os moldes de areia têm baixa condutividade térmica, enquanto os moldes de metal se destacam nesse aspecto. Os moldes de areia são retráteis, mas os moldes de metal não. Essas características dos moldes metálicos determinam seus princípios únicos no processo de formação de peças fundidas.
A influência das mudanças no estado do gás dentro da cavidade do molde na formação da peça fundida: Durante o enchimento do metal, os gases dentro da cavidade do molde devem ser expelidos rapidamente. No entanto, a falta de respirabilidade do metal significa que uma ligeira negligência no processo pode afetar negativamente a qualidade da peça fundida.
Características da troca de calor durante a solidificação da fundição: Uma vez que 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, causando solidificação e encolhimento.
Enquanto isso, a parede do molde se expande à medida que aquece, criando uma “lacuna” entre a peça fundida e a parede do molde. Até que o sistema “fundição-gap-molde” atinja uma temperatura uniforme, a peça fundida pode ser considerada resfriada dentro do “gap”, enquanto a parede do molde é aquecida através do “gap”.
O impacto do molde metálico impedindo a contração da peça fundida: Os moldes metálicos ou moldes com núcleo metálico não se retraem durante o processo de solidificação da peça fundida, dificultando a contração da peça fundida – outra característica única deles.
III. Processo de fundição de metal
1. Pré-aquecimento do molde metálico
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.
Moldes de metal não pré-aquecidos são propensos a danos por choque térmico e aumento de tensão durante a fundição. Portanto, os moldes de metal devem ser pré-aquecidos antes do uso.
A temperatura de pré-aquecimento apropriada (ou seja, 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 1500°C.
Os métodos para pré-aquecimento de moldes metálicos incluem:
(1) Pré-aquecimento com maçarico ou chama de gás.
(2) Usando um aquecedor de resistência.
(3) Utilizar um forno para aquecimento, que proporciona uma temperatura uniforme, mas é adequado apenas para pequenos moldes de metal.
(4) Pré-aquecer o molde de metal em um forno e, em seguida, fundir o metal líquido para aquecer o molde. Este método só é adequado para moldes pequenos, pois desperdiça algum metal líquido e pode diminuir a vida útil do molde.
2. Derramamento do molde metálico
A temperatura de vazamento para moldes metálicos é geralmente mais alta do que para fundição em areia e pode ser determinada com base no tipo de liga, sua composição química e no tamanho e espessura da peça fundida, por meio de testes. Os dados a seguir podem ser usados como referência.
Temperaturas de vazamento para várias ligas:
- Liga de alumínio e estanho: 350-450 °C
- Latão: 900-950°C
- Liga de zinco: 450-480 °C
- Bronze de estanho: 1100-1150 °C
- Liga de alumínio: 680-740 °C
- Bronze de alumínio: 1150-1300 °C
- Liga de magnésio: 715-740 °C
- Ferro fundido: 1300-1370°C
Dado o rápido resfriamento e a natureza não porosa dos moldes de metal, 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.
3. Momento da Remoção da Fundição e Retirada do Núcleo
Quanto mais tempo um núcleo de metal permanece dentro de uma peça fundida, mais forte será a aderência ao núcleo devido ao encolhimento da peça fundida, exigindo assim maior força de retirada do núcleo.
A duração ideal para um núcleo de metal permanecer dentro de uma peça fundida é quando a peça fundida esfriou até uma faixa de temperatura de deformação plástica e tem resistência suficiente, momento em que é o melhor momento para retirar o núcleo.
Se a peça fundida permanecer muito tempo na matriz metálica, a temperatura da parede da matriz aumenta, exigindo mais tempo de resfriamento e reduzindo a produtividade da matriz metálica.
O momento mais adequado para a retirada do macho e da peça fundida é normalmente determinado através de métodos experimentais.
4. Regulação da temperatura de trabalho do molde metálico
Para garantir a estabilidade da qualidade dos moldes metálicos e a produção normal, é crucial manter uma mudança constante de temperatura no molde metálico durante a produção.
Portanto, após cada vazamento, o molde metálico 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 existem vários métodos de resfriamento:
1. Resfriamento de ar: Soprar ar ao redor do exterior do molde de metal para aumentar a dissipação de calor por convecção. Embora a estrutura de um molde metálico resfriado a ar seja simples, fácil de fabricar e de baixo custo, o efeito de resfriamento não é particularmente ideal.
2. Resfriamento indireto de água: Instalação de camisa d'água na parte traseira ou em parte específica do molde metálico. Seu efeito de resfriamento é melhor que o do resfriamento a ar e é adequado para fundir peças de cobre ou peças de ferro fundido forjáveis. No entanto, o resfriamento intenso para fundir peças fundidas de ferro cinzento de paredes finas ou peças fundidas de ferro dúctil pode aumentar os defeitos de fundição.
3. Resfriamento direto a água: Fazer diretamente uma camisa de água nas costas ou em uma parte específica do molde de metal e resfriá-la com água fluindo pela camisa. Este método é usado principalmente para fundir peças de aço ou outras peças fundidas de liga, onde é necessário um forte resfriamento do molde. Devido ao seu alto custo, só é aplicável para produção em larga escala.
Se a espessura da parede da peça fundida variar muito, ao usar um molde de metal para produção, um método comum é aquecer uma parte do molde de metal enquanto resfria outra parte para ajustar a distribuição de temperatura da parede do molde.
5. Revestimentos para moldes metálicos
Durante o processo de fundição de moldes metálicos, é comum aplicar um revestimento na superfície de trabalho do molde metálico.
As funções do revestimento regulam a velocidade de resfriamento das peças fundidas, protegem o molde metálico da erosão e do choque térmico causado pelo líquido metálico em alta temperatura e facilitam a liberação de gás através da camada de revestimento.
Dependendo da liga, o revestimento pode ter fórmulas diversas e geralmente é composto por três tipos de substâncias:
1. Materiais refratários em pó (como óxido de zinco, pó de talco, pó de areia de zircão, pó de terra diatomácea, etc.);
2. Aglutinantes (normalmente copo de água, xarope ou resíduos líquidos de pasta de papel, etc.);
3. Solvente (água). Fórmulas específicas podem ser consultadas em manuais relevantes. O revestimento deve atender aos seguintes requisitos técnicos: deve ter certa viscosidade para facilitar a pulverização, ser capaz de formar uma camada fina e uniforme na superfície do molde metálico; após a secagem, o revestimento não deve rachar ou descascar e deve ser fácil de remover; deve ter alta refratariedade; não deve gerar grande quantidade de gás em altas temperaturas; não deve reagir quimicamente com a liga (exceções para requisitos especiais).
6. Moldes metálicos de areia de resina (moldes de ferro com areia de resina)
Embora o revestimento possa reduzir a velocidade de resfriamento das peças fundidas no molde metálico, ainda existe uma certa dificuldade na produção de peças de ferro dúctil (como virabrequins) com moldes metálicos que utilizam revestimentos, pois a velocidade de resfriamento das peças fundidas ainda é muito rápida , e as peças fundidas têm tendência a ficar com a boca branca.
Se um molde de areia for usado, a peça fundida terá uma velocidade de resfriamento mais lenta, mas ocorrerá facilmente encolhimento ou porosidade na junção quente.
A aplicação de uma camada de areia de 4-8 mm na superfície do molde de metal pode resultar em peças fundidas de ferro dúctil satisfatórias.
A camada de areia regula efetivamente a velocidade de resfriamento da peça fundida, por um lado evitando a ocorrência de uma boca branca no corpo do 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 resinosa pode reduzir adequadamente a resistência ao encolhimento das peças fundidas. Além disso, os moldes metálicos apresentam boa rigidez, limitando efetivamente a expansão da grafite esferoidal, conseguindo fundição sem riser, eliminando frouxidão e melhorando a compactação das peças fundidas.
Se a camada de areia do molde de metal for feita de areia resinosa, geralmente ela pode ser coberta com jato de areia. A temperatura do molde metálico deve estar entre 180-200°C. 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.
7. Vida útil dos moldes metálicos
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 fabricação 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 fabricação;
4. Os grãos do material do molde metálico devem ser pequenos.
4. Projeto de processo para peças fundidas em moldes de metal
Para garantir a qualidade da fundição, simplificar a estrutura do molde metálico e explorar plenamente seus benefícios técnicos e econômicos, uma análise inicial da estrutura da fundição deve ser realizada e um processo de fundição razoável deve ser estabelecido.
1. Análise de Processo de Estrutura de Fundição
A qualidade do projeto do processo de uma estrutura de fundição em molde metálico é um pré-requisito para garantir a qualidade da fundição e explorar as vantagens da fundição em molde metálico. Uma estrutura de fundição razoável deve aderir aos seguintes princípios:
(1) A estrutura fundida não deve impedir a desmoldagem ou encolhimento;
(2) A variação de espessura não deve ser muito grande para evitar diferenças significativas de temperatura, levando a fissuras de contração e porosidade na peça fundida;
(3) A espessura mínima da parede dos moldes de metal deve ser restrita.
Além disso, a precisão e a suavidade das superfícies não usinadas da peça fundida devem ser exigidas de forma adequada.
2. Posição de vazamento da fundição no molde de metal
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 de 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 solidificação sequencial e boa retração para garantir a aquisição de peças fundidas de estrutura densa;
3. O número de núcleos deve ser minimizado e devem ser fáceis de colocar, estáveis e fáceis de desmoldar;
4. Facilita a simplificação da estrutura do molde metálico e a facilidade de desmoldagem da peça fundida.
3. Seleção da superfície de partição em moldabilidade
As formas da superfície de partição são geralmente verticais, horizontais e combinadas (vertical, horizontal mista ou curva). Os princípios para selecionar a superfície de partição são os seguintes:
1. Para simplificar a estrutura do molde metálico e melhorar a precisão da fundição, a forma da peça fundida 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 para facilitar a desmoldagem e a colocação do núcleo;
3. A superfície de partição selecionada deve garantir que o ajuste da porta e dos tirantes 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 partição não deve ser selecionada na superfície de referência de usinagem;
5. Evite ao máximo superfícies de partição curvas para reduzir o número de peças desmontadas e componentes móveis do molde.
4. Projeto do Sistema de Fundição
Os seguintes fatores devem ser considerados ao projetar o sistema de fundição devido às características específicas da fundição em moldes metálicos: a velocidade de fundição do metal é alta, excedendo a dos moldes em areia em cerca de 20%.
Além disso, o gás na cavidade do molde deve poder ser expelido suavemente quando o metal líquido preenche o molde. Sua direção de fluxo deve ser tão consistente quanto 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 do molde ou machos, ou causar respingos.
O sistema de fundição de moldes de metal geralmente se enquadra em três categorias: canal superior, canal inferior e canal lateral.
(1) Top gating: Este método possui uma distribuição de calor razoável, o que é benéfico para a solidificação sequencial e pode reduzir o consumo de metal líquido. Contudo, o fluxo de metal líquido é instável, o que pode causar inclusões. Quando a altura de fundição é alta, pode impactar o fundo do molde ou os machos. Se usado para fundir peças de liga de alumínio, geralmente só é adequado para peças simples com altura inferior a 100 milímetros.
(2) Gating inferior: O metal líquido flui mais suavemente, o que é benéfico para a ventilação. No entanto, a distribuição de temperatura não é razoável, o que não favorece a solidificação suave da peça fundida.
(3) Gating lateral: Este método tem as vantagens dos dois métodos acima mencionados. O metal líquido flui suavemente, o que facilita a coleta e a ventilação da escória. Porém, o consumo de metal líquido é alto e há uma grande carga de trabalho para 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 metálico não é respirável e possui 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, também deve garantir que não ocorram respingos durante o processo de enchimento.
Ao fundir metais ferrosos com moldes de metal, devido à alta velocidade de resfriamento da peça fundida e ao rápido aumento na viscosidade do fluxo líquido, um sistema de passagem fechado é frequentemente utilizado. A proporção das áreas da seção transversal de suas várias partes é: F_inner: F_transverse: F_vertical = 1: 1,15: 1,25
5. Projeto de Risers
Os risers na fundição em molde de metal têm as mesmas funções daqueles na fundição em molde de areia: eles compensam o encolhimento, coletam escória e ventilam. Os princípios de projeto para risers em moldes de metal são os mesmos daqueles para risers em moldes de areia.
Como os moldes de metal esfriam mais rápido e os risers geralmente usam revestimentos isolantes ou camadas de areia, o tamanho dos risers nos moldes de metal pode ser menor do que aqueles 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 do processo de suas peças fundidas são ligeiramente diferentes daqueles das peças fundidas em molde de areia.
A taxa de encolhimento linear das peças fundidas em molde de metal não está apenas relacionada 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 aquecimento, etc. Seu valor também precisa considerar deixar espaço para modificação de tamanho durante o processo de fundição de teste.
Para remover o núcleo metálico do molde e a peça fundida, um calado apropriado deve ser feito na direção da remoção do núcleo e desmoldagem da peça fundida. Consulte os manuais relevantes para o projeto de fundição de várias peças fundidas de ligas diferentes.
A precisão das fundições em moldes de metal é geralmente maior do que a das fundições em moldes de areia, de modo que 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 metálico pode ser desenhado. Este desenho é basicamente igual ao desenho do processo de fundição em molde de areia.
V. Projeto de moldes metálicos
Após o diagrama do processo de fundição ser desenhado, o projeto do molde de metal pode prosseguir. O projeto envolve principalmente a determinação da estrutura, dimensões, núcleo, sistema de exaustão e mecanismo de ejeção do molde metálico.
O projeto do molde metálico deve buscar simplicidade na estrutura, conveniência na usinagem, seleção adequada do material e garantir segurança e confiabilidade.
1. Estrutura dos moldes metálicos
A estrutura do molde metálico depende da forma e tamanho da peça fundida, do número de superfícies de partição, do tipo de liga e do volume de produção. Com base na posição da superfície de partição, existem várias formas de estruturas de molde metálico:
1. Molde de metal integral: Este molde não possui superfície de separação e uma estrutura simples, adequado para peças fundidas de formato simples sem superfície de separação.
2. Molde de metal com divisão horizontal: Este molde é adequado para peças fundidas de rodas de paredes finas.
3. Molde de metal com divisão vertical: Este tipo de molde é conveniente para estabelecer sistemas de passagem e exaustão, fácil de abrir e fechar e adequado para produção mecanizada. É frequentemente usado para produzir pequenas peças fundidas simples.
4. Molde metálico de partição composto: Consiste em duas ou mais superfícies de partição, ou mesmo blocos móveis, geralmente utilizados para a produção de peças fundidas complexas. É conveniente operar e amplamente utilizado na produção.
2. Projeto do corpo principal de moldes de metal
O corpo principal de um molde metálico refere-se à parte que forma a cavidade do molde e é usada para formar o formato externo da peça fundida. A estrutura principal do corpo está relacionada ao tamanho da peça fundida, sua posição de vazamento no molde, superfície de partição e tipo de liga.
O projeto deve buscar dimensões precisas da cavidade do molde; facilitar o estabelecimento de sistemas de comporta e exaustão, facilidade de ejeção da peça fundida e resistência e rigidez suficientes.
3. Projeto de núcleos de molde metálico
Dependendo da complexidade da fundição e do tipo de liga, diferentes materiais podem ser utilizados 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, magnésio ligas). Núcleos de areia e núcleos de metal também podem ser usados juntos na mesma peça fundida.
4. Exaustão do molde de metal
Ao projetar um molde de metal, um sistema de exaustão é essencial. Os seguintes métodos podem ser usados para exaustão:
(1) Use a folga entre a superfície de partição ou a superfície combinada da cavidade do molde para exaustão.
(2) Crie uma ranhura de exaustão na superfície de partição ou na superfície combinada da cavidade do molde, na sede do núcleo ou na superfície da haste ejetora.
(3) Instale orifícios de exaustão, que geralmente estão localizados no ponto mais alto do molde metálico.
(4) Os plugues de exaustão são comumente usados em moldes de metal.
5. Projeto do mecanismo ejetor
As partes irregulares da cavidade do molde metálico 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 peça fundida, ou seja, evitar que a peça fundida seja deformada ou amassada por ejeção; evitar que a haste ejetora fique presa.
A folga entre a haste ejetora e o orifício ejetor deve ser apropriada. Se a folga for muito grande, o metal pode entrar facilmente; se for muito pequeno, pode causar emperramento. A experiência sugere o uso da correspondência de nível D4/dC4.
6. Mecanismos de posicionamento, orientação e travamento de moldes metálicos
Quando um molde de metal está sendo montado, é necessário o posicionamento preciso das duas metades. Isto geralmente é conseguido de duas maneiras: posicionamento do pino e posicionamento de “parada”. Para cortes verticais com uma superfície de corte circular, o posicionamento “stop” pode ser usado, 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 partição. Quando o molde metálico em si é grande e pesado, para garantir um posicionamento conveniente durante a abertura e fechamento do molde, um formato de orientação pode ser adotado.
7. Seleção de materiais para moldes metálicos
A partir da análise das causas da falha do molde metálico, os materiais utilizados na fabricação dos moldes metálicos devem atender aos seguintes requisitos: boa resistência ao calor e condutividade térmica; nenhuma deformação ou dano quando aquecido repetidamente; certa resistência, tenacidade e resistência ao desgaste; boa usinabilidade.
O ferro fundido é o material mais comumente usado para moldes de metal. Possui boa usinabilidade, é barato e pode ser fabricado em 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 são usados apenas quando são necessários requisitos elevados.
O uso de ligas de alumínio na fabricação de moldes metálicos tem chamado a atenção no exterior. A superfície dos moldes de alumínio pode sofrer tratamento de oxidação anódica, resultando em um filme de óxido composto por Al2O3 e Al2O3·H2O.
Este filme possui alto ponto de fusão e dureza e é resistente ao calor e ao desgaste. É relatado que tais moldes de metal de alumínio, ao usar medidas de resfriamento de água, podem não apenas fundir peças de alumínio e cobre, mas também ser usados para fundir peças fundidas de metal ferroso.
