Por que algumas peças fundidas falham enquanto outras se destacam? A resposta está nas propriedades da liga de fundição. Este artigo explora como fatores como fluidez, contração, oxidabilidade e absorção de gás afetam a qualidade e o desempenho das peças fundidas. Ao compreender essas propriedades, você obterá insights para selecionar os materiais certos e projetar processos que garantam peças fundidas de alta qualidade. Mergulhe de cabeça para saber como o domínio desses elementos pode elevar seus projetos de fundição e evitar defeitos comuns.
Conceito de desempenho de fundição de ligas: O desempenho da fundição refere-se à capacidade de uma liga de ser fundida e produzir peças fundidas de alta qualidade.
Indicadores de desempenho de fundição de ligas: Capacidade de preenchimento (fluidez), encolhimento, oxidabilidade, segregação e absorção de gás, etc.
A qualidade do desempenho da fundição da liga afeta significativamente o processo de fundição, a qualidade da fundição e o projeto da estrutura da fundição.
Portanto, ao escolher materiais para peças fundidas, deve-se dar preferência a materiais com bom desempenho de fundição e, ao mesmo tempo, garantir o desempenho operacional.
No entanto, na produção real, para garantir o desempenho operacional, geralmente são usadas ligas com desempenho de fundição inferior.
Nesses casos, deve-se dar mais atenção ao projeto da estrutura de fundição e à processo de fundição condições devem ser fornecidas para produzir peças fundidas de alta qualidade. Portanto, é necessário um entendimento abrangente do desempenho da fundição de uma liga.
Definição: A capacidade da liga fundida de preencher o molde e produzir uma peça fundida com dimensões corretas e contornos nítidos é chamada de capacidade de preenchimento da liga fundida.
O processo de enchimento da liga fundida é o primeiro estágio da formação da fundição. Esse estágio envolve uma série de mudanças físicas e químicas, como o fluxo da liga fundida e a troca de calor entre ela e o molde, juntamente com a cristalização da liga.
Portanto, a capacidade de enchimento não depende apenas da fluidez da própria liga, mas também é influenciada por condições externas, como as propriedades do molde, as condições de vazamento e a estrutura da fundição.
Impacto na qualidade da fundição: Se a capacidade de preenchimento da liga fundida for forte, será mais fácil obter peças fundidas complexas e de paredes finas. Isso resulta em menos defeitos, como contornos pouco nítidos, vazamento insuficiente e fechamento a frio.
Também facilita o aumento e a expulsão de gases e não metálico inclusões no metal fundido, reduzindo defeitos como poros e inclusões de escória. Além disso, ele pode aumentar a capacidade de alimentação, diminuindo assim a tendência de encolhimento e porosidade.
(1) Fluidez da liga
Definição:
Fluidez refere-se à capacidade de fluxo da liga fundida. É uma propriedade inerente de uma liga, dependendo do tipo de liga, das características de cristalização e de outras propriedades físicas (por exemplo, quanto menor a viscosidade e maior a capacidade térmica, menor a condutividade térmica e maior o calor latente de cristalização, e quanto menor a tensão superficial, melhor a fluidez).
Método de medição:
Para comparar a fluidez de diferentes ligas, o método padrão de fundição de amostras em espiral é frequentemente usado. O comprimento da amostra de fluidez obtida sob o mesmo molde (geralmente usando um molde de areia) e condições de fundição (como a mesma temperatura de vazamento ou a mesma temperatura de superaquecimento) pode representar a fluidez da liga testada.
Entre as ligas de fundição comuns, ferro fundido cinzento e o latão silício têm a melhor fluidez, enquanto o aço fundido tem a pior. Para a mesma liga, as amostras de fluidez também podem ser usadas para estudar o impacto de vários fatores do processo de fundição em sua capacidade de enchimento.
O comprimento da amostra de fluidez obtida é o produto do tempo e da velocidade de fluxo do metal fundido desde o início do vazamento até a interrupção do fluxo. Portanto, qualquer fator que afete esses dois fatores afetará a fluidez (ou a capacidade de enchimento).
A composição química da liga determina suas características de cristalização, e as características de cristalização dominam o impacto sobre a fluidez. As ligas com componentes eutéticos (como as ligas de ferro-carbono com uma fração de massa de carbono de 4,3%) se solidificam a uma temperatura constante, a superfície interna da camada de solidificação é relativamente lisa e a resistência ao fluxo do metal fundido subsequente é pequena.
Além disso, a temperatura de solidificação da liga do componente eutético é baixa, o que facilita a obtenção de um grau maior de superaquecimento, de modo que a fluidez é boa. Além das ligas eutéticas e dos metais puros, outras ligas componentes se solidificam dentro de uma determinada faixa de temperatura, e há uma zona de duas fases de líquido e sólido na seção de fundição.
Os primeiros cristais dendríticos formados criam uma resistência maior ao fluxo do metal fundido subsequente, de modo que a fluidez diminui. Quanto mais a composição da liga se desviar do componente eutético, maior será a faixa de temperatura de solidificação e pior será a fluidez. Portanto, as ligas próximas à composição eutética são frequentemente usadas como materiais de fundição.
(2) Propriedades do molde
① O coeficiente de armazenamento de calor do molde representa a capacidade do molde de absorver e armazenar o calor do metal fundido.
Quanto maior a condutividade térmica, a capacidade específica de calor e a densidade do material do molde, maior será sua capacidade de armazenamento de calor, maior será a capacidade de resfriamento do metal fundido, menor será o tempo para que o metal fundido mantenha o fluxo e pior será a capacidade de enchimento.
Por exemplo, a fundição em molde de metal tem maior probabilidade de produzir defeitos, como vazamento insuficiente e fechamento a frio, do que a fundição em molde de areia.
② O pré-aquecimento da temperatura do molde pode reduzir a diferença de temperatura entre ele e o metal fundido, reduzir a intensidade da troca de calor e, assim, melhorar a capacidade de enchimento do metal fundido.
Por exemplo, ao fundir peças fundidas de liga de alumínio com um molde de metal, o aumento da temperatura do molde de 340°C para 520°C aumenta o comprimento da amostra em espiral de 525mm para 950mm sob a mesma temperatura de vazamento (760°C). Portanto, o pré-aquecimento do molde é uma das medidas de processo necessárias na fundição com molde de metal.
③ O gás no molde tem certa capacidade de emitir gás, o que pode formar uma película de gás entre o metal fundido e o molde, reduzindo a resistência ao fluxo e facilitando o enchimento. Porém, se a emissão de gás for muito grande e a exaustão do molde não for suave, a contrapressão do gás gerada na cavidade do molde impedirá o fluxo do metal fundido.
Portanto, para melhorar a permeabilidade da areia do molde (núcleo), é necessário e frequentemente aplicado abrir orifícios de ventilação no molde.
(3) Condições de derramamento
① Temperatura de derramamento
A temperatura de vazamento tem um impacto decisivo sobre a capacidade de enchimento do metal fundido. O aumento da temperatura de vazamento reduz a viscosidade da liga e prolonga o tempo em que ela permanece fluida, aumentando, assim, a capacidade de enchimento; por outro lado, a capacidade de enchimento diminui.
Para peças fundidas de paredes finas ou ligas com pouca fluidez, o aumento da temperatura de vazamento para melhorar a capacidade de enchimento é frequentemente usado e relativamente conveniente na produção.
No entanto, à medida que a temperatura de vazamento aumenta, a absorção de gás e a oxidação da liga se tornam graves, o encolhimento total aumenta e defeitos como furos de sopro, furos de encolhimento e adesão de areia ocorrem facilmente, e a estrutura cristalina da fundição se torna grosseira.
Portanto, em princípio, a temperatura de vazamento deve ser reduzida o máximo possível, garantindo, ao mesmo tempo, fluidez suficiente.
② Pressão de enchimento
Quanto maior for a pressão sobre o metal fundido na direção do fluxo, maior será a taxa de fluxo e melhor será a capacidade de enchimento. Portanto, métodos como o aumento da altura do canal de entrada ou a aplicação de pressão artificial (como fundição sob pressão(fundição de baixa pressão, etc.) são frequentemente usados para melhorar a capacidade de enchimento das ligas fundidas.
(4) Estrutura de fundição
Quando a espessura da parede da peça fundida é muito pequena, a espessura da parede muda bruscamente ou há uma superfície horizontal maior, isso dificultará o enchimento do líquido da liga. Portanto, ao projetar a estrutura de fundição, a parede
A espessura da peça fundida deve ser maior do que o valor mínimo permitido; algumas peças fundidas precisam projetar canais de fluxo; e as nervuras devem ser colocadas em grandes superfícies planas. Isso não só facilita o preenchimento suave do líquido da liga, mas também evita a ocorrência de defeitos de inclusão de areia.
Segregação
Esse termo se refere à distribuição desigual da composição química nas peças fundidas. A segregação pode tornar as propriedades das peças fundidas irregulares e, em casos graves, pode levar a produtos defeituosos.
A segregação pode ser dividida em duas categorias: Micro-segregação e Macro-segregação.
Micro-segregação:
Segregação intragranular (também conhecida como segregação dendrítica) - Esse é o fenômeno em que diferentes partes do mesmo grão têm composições químicas variadas. Para ligas que formam soluções sólidas, somente sob condições de resfriamento muito lento os átomos podem se difundir o suficiente para obter grãos quimicamente homogêneos durante o processo de cristalização.
Em condições reais de fundição, a taxa de solidificação da liga é mais rápida, e os átomos não têm tempo suficiente para se difundir totalmente. Como resultado, os grãos que crescem de forma dendrítica inevitavelmente têm composições químicas desiguais.
Para eliminar a segregação intragranular, a fundição pode ser reaquecida a uma temperatura alta e mantida por um longo período para permitir a difusão suficiente de átomos. Esse método de tratamento térmico é conhecido como recozimento por difusão.
Macro-segregação:
Segregação por densidade (anteriormente conhecida como segregação por gravidade) - Esse é o fenômeno em que as partes superior e inferior da peça fundida têm composições químicas desiguais. Quando as densidades dos elementos de liga diferem significativamente, os elementos com densidade mais baixa tendem a se acumular na parte superior depois que a fundição se solidifica completamente, enquanto os elementos com densidade mais alta tendem a se acumular na parte inferior.
Para evitar a segregação de densidade, o metal fundido deve ser bem agitado ou resfriado rapidamente durante o vazamento para evitar a separação de elementos com densidades diferentes.
Há muitos tipos de macrossegregação, incluindo segregação positiva, segregação negativa, segregação em forma de V e segregação de banda, além da segregação de densidade.
Absorção de gás de ligas - Esse termo se refere à propriedade das ligas de absorver gases durante a fusão e o vazamento.
A absorção de gás das ligas aumenta com a temperatura. Os gases são muito mais solúveis na liga fundida do que no estado sólido. Quanto maior o superaquecimento da liga, mais gás ela contém. A presença de gases em peças fundidas assume três formas: solução sólida, composto e porosidade.
Com base na origem do gás na liga, a porosidade pode ser dividida em três categorias:
a. Porosidade de exsudação
Quando os gases dissolvidos no líquido da liga exsudam durante o processo de solidificação devido a uma diminuição na solubilidade do gás e não conseguem ser expelidos a tempo, a porosidade formada nas peças fundidas é chamada de porosidade de exsudação.
A porosidade de exsudação é mais comum em ligas de alumíniocom diâmetros geralmente inferiores a 1 mm. Isso não só afeta as propriedades mecânicas da liga, mas também afeta gravemente a estanqueidade da fundição.
b. Porosidade invasiva
A porosidade invasiva refere-se a poros formados por gases acumulados na camada superficial do molde de areia que invadem o líquido da liga.
c. Porosidade reativa
A porosidade reativa refere-se a poros formados em peças fundidas por gases produzidos por meio de reações químicas entre a liga fundida despejada no molde e a umidade, ferrugem etc. no material do molde, nos suportes do núcleo, nos resfriadores ou na escória.
A porosidade reativa pode ser de vários tipos e formas. Por exemplo, os poros criados por reações químicas entre o líquido da liga e a interface do molde de areia geralmente são distribuídos de 1 a 2 mm sob a superfície da fundição. Depois que a superfície é usinada ou limpa, muitos pequenos orifícios ficam expostos, por isso são chamados de poros subsuperficiais.
Os poros interrompem a continuidade da liga, reduzem a área de suporte de carga efetiva e causam concentração de tensão ao redor dos poros, reduzindo, assim, as propriedades mecânicas das peças fundidas, especialmente a resistência ao impacto e a resistência à corrosão. resistência à fadiga. Os poros dispersos também podem promover a formação de microporosidade, reduzindo a estanqueidade do fundido.
a. Reduzir a emissão de gás da areia de moldagem (areia do núcleo) e aumentar a capacidade de exaustão do molde.
b. Controle a temperatura do líquido da liga, reduza o superaquecimento desnecessário e reduza o teor de gás original do líquido da liga.
c. Aplique pressão para solidificar a liga e evitar a exsudação de gás. As alterações na pressão afetam diretamente a exsudação de gás. Por exemplo, se a liga de alumínio líquido for cristalizada em uma câmara de pressão a 405-608 kPa (4-6 atmosferas), será possível obter uma fundição sem poros.
d. Durante a fusão e o vazamento, tente reduzir a chance de contato do líquido da liga com os gases. Por exemplo, aplique uma cobertura para proteger a superfície do líquido da liga ou use a tecnologia de fusão a vácuo.
e. Desgaseificar o líquido da liga. Por exemplo, a introdução de cloro gasoso no líquido da liga de alumínio. Quando não dissolvido as bolhas de gás cloro sobem, os átomos de hidrogênio dissolvidos no líquido da liga de alumínio se difundem continuamente nas bolhas de gás cloro e são removidos do líquido da liga.
f. As superfícies dos resfriadores, suportes de núcleo etc. não devem estar enferrujadas ou oleosas e devem ser mantidas secas, etc.
(1) Definições de solidificação e encolhimento
A solidificação é o processo em que uma substância passa do estado líquido para o estado sólido.
A retração refere-se à redução de volume que ocorre nas peças fundidas durante os processos de solidificação e resfriamento.
(2) Impacto na qualidade da fundição
Se a solidificação e a contração não forem adequadamente controladas durante o processo de resfriamento do metal líquido derramado no molde, a fundição poderá desenvolver defeitos como cavidades de contração, porosidade de contração, tensões de fundição, deformação e rachaduras.
(1) Métodos de solidificação de fundição
Durante a solidificação, normalmente existem três áreas na seção transversal da fundição: a área da fase sólida, a área de solidificação e a área da fase líquida. A coexistência das fases líquida e sólida na área de solidificação influencia significativamente a qualidade da fundição.
O "método de solidificação" da fundição é categorizado com base na amplitude dessa área de solidificação, nos três tipos a seguir:
① Solidificação camada por camada
Os metais puros ou as ligas eutéticas se solidificam sem uma fase líquida e sólida coexistente na área de solidificação, conforme mostrado na Figura 2(a). Assim, um limite claro (frente de solidificação) separa a camada sólida externa e a camada líquida interna na seção transversal.
À medida que a temperatura cai, a camada sólida fica mais espessa e a camada líquida diminui até que a frente de solidificação chegue ao centro. Esse método de solidificação é chamado de solidificação camada por camada.
② Solidificação em forma de pasta
Se a faixa de temperatura de cristalização de uma liga for ampla e a curva de distribuição de temperatura dentro da fundição for relativamente plana, não haverá camada sólida na superfície da fundição durante um determinado período de solidificação.
Em vez disso, a área de solidificação onde coexistem as fases líquida e sólida se estende por toda a seção transversal, conforme mostrado na Figura 1(C). Esse método de solidificação é semelhante à solidificação do cimento, inicialmente pastoso antes de se solidificar, e por isso é chamado de solidificação pastosa.
③ Solidificação intermediária
A maioria das ligas se solidifica usando um método entre os dois acima, chamado de solidificação intermediária.
Relação entre solidificação de fundição e Defeitos de fundição:
Em geral, a solidificação camada por camada facilita o preenchimento da liga e a compensação da contração, evitando cavidades de contração e porosidade. A obtenção de fundições estruturais densas pode ser um desafio durante a solidificação em pasta.
(2) Principais fatores que influenciam os métodos de solidificação de fundição
① Faixa de temperatura de cristalização da liga
Uma menor faixa de temperatura de cristalização de uma liga resulta em uma área de solidificação mais estreita e em uma tendência à solidificação camada por camada. Por exemplo, durante a fundição em areia, o aço com baixo teor de carbono se solidifica camada por camada, enquanto o aço com alto teor de carbono, com uma ampla faixa de temperatura de cristalização, se solidifica de forma pastosa.
② Gradiente de temperatura da seção transversal da fundição
Considerando uma faixa específica de temperatura de cristalização de uma liga, a largura da área de solidificação depende do gradiente de temperatura da seção transversal da fundição, conforme mostrado na Figura 2 (T1→T2). Se o gradiente da temperatura de fundição aumentar, a área de solidificação correspondente se estreitará.
O gradiente de temperatura de uma fundição depende principalmente de:
a. Propriedades da liga: Quanto menor a temperatura de solidificação de uma liga, maior a sua condutividade térmica e maior o calor latente de cristalização, melhor a sua capacidade de equalizar as temperaturas internas, resultando em um gradiente de temperatura menor (como na maioria das ligas de alumínio).
b. Capacidade de retenção de calor do molde: Um maior coeficiente de retenção de calor do molde aumenta sua capacidade de resfriamento rápido, levando a um maior gradiente de temperatura de fundição.
c. Temperatura de vazamento: Uma temperatura de vazamento mais alta introduz mais calor no molde, reduzindo o gradiente de temperatura da fundição.
d. Espessura da parede de fundição: Paredes de fundição mais espessas resultam em um gradiente de temperatura menor.
Com base na discussão acima, pode-se concluir que as ligas que tendem à solidificação camada por camada (como ferro fundido cinzento, ligas de alumínio-silício etc.) são mais adequadas para fundição e devem ser usadas sempre que possível.
Quando for necessário usar ligas com tendência à solidificação pastosa (como bronze de estanho, liga de alumínio e cobre, ferro dúctil etc.), deve-se considerar medidas de processo adequadas (por exemplo, fundição em molde metálico) para reduzir a área de solidificação.
(1) Princípio e processo de encolhimento da liga
A estrutura de uma liga líquida consiste em aglomerados atômicos e "vazios". Os átomos dentro dos grupos estão ordenados, mas a distância entre os átomos é maior do que no estado sólido. Quando a liga líquida é despejada no molde, a temperatura continua a cair, os espaços vazios diminuem, as distâncias atômicas se encurtam e o volume da liga líquida diminui.
À medida que o líquido da liga se solidifica, os vazios desaparecem e as distâncias atômicas diminuem ainda mais. Durante o processo de resfriamento até a temperatura ambiente após a solidificação, as distâncias atômicas continuam a diminuir.
A contração de uma liga, desde a temperatura de vazamento até a temperatura ambiente, passa pelos três estágios a seguir:
①Retração de líquido
É o encolhimento da liga desde a temperatura de vazamento até o início da solidificação (temperatura da linha liquidus), enquanto a liga está em um estado líquido. Isso resulta em uma queda no nível do líquido dentro da cavidade do molde.
②Retração de solidificação
É a contração da liga desde o início da solidificação até o final da solidificação. Em geral, a contração da solidificação ainda se manifesta principalmente como uma queda no nível do líquido.
③Retração em estado sólido
É a contração da liga desde o final da solidificação até a temperatura ambiente, quando a liga está em um estado sólido. A contração nesse estágio é caracterizada por uma diminuição nas dimensões lineares da peça fundida.
As contrações líquida e de solidificação de uma liga são as principais causas das cavidades de contração e da porosidade em uma fundição, enquanto a contração no estado sólido é a causa fundamental da tensão, da deformação e da rachadura da fundição, afetando diretamente a precisão dimensional da fundição.
(2) Principais fatores que influenciam o encolhimento da liga
①Composição química da liga
Diferentes ligas têm diferentes taxas de contração. Entre as ligas comumente usadas, o aço fundido tem a maior taxa de retração, enquanto o ferro fundido cinzento tem a menor. O motivo pelo qual o ferro fundido cinzento tem uma taxa de encolhimento muito pequena é que a maior parte do carbono contido nele existe na forma de grafite, que tem um grande volume específico. A expansão de volume produzida pela precipitação de grafite durante o processo de cristalização compensa parte do encolhimento da liga.
Tabela 1 Taxas de contração de diferentes ligas
| Tipo de liga | Fração de massa de carbono | Temperatura de derramamento /℃ | Encolhimento de líquidos | Encolhimento por coagulação | Encolhimento em estado sólido | Encolhimento total do volume |
| Aço carbono fundido | 0.35% | 1610 | 1.6% | 3% | 7.8% | 12.46% |
| Ferro fundido branco | 3.00% | 1400 | 2.4% | 4.2% | 5.4~6.3% | 12-12.9% |
| Ferro fundido cinza | 3.50% | 1400 | 3.5% | 0.1% | 3.3~4.2% | 6.9~7.8% |
②Temperatura de derramamento
Quanto mais alta for a temperatura de vazamento, maior será o encolhimento líquido da liga.
③Condições do molde e estrutura de fundição
O encolhimento real de uma peça fundida é diferente do encolhimento livre de uma liga. Ela é dificultada pelo molde e pelo núcleo; e, como a fundição tem uma estrutura complexa e espessura de parede desigual, as restrições mútuas de várias peças durante o resfriamento também dificultam a retração.
A porosidade e a contração são definidas como os orifícios que se formam na parte final solidificada de uma fundição se a contração líquida e a contração de solidificação da liga não forem compensadas pela liga líquida. Os vazios maiores e concentrados são chamados de porosidade, enquanto os pequenos e dispersos são chamados de retração.
Os danos - A porosidade e a contração reduzem a área de suporte de carga efetiva da peça fundida, causando concentração de tensão e, portanto, reduzindo as propriedades mecânicas. No caso de peças que exigem estanqueidade, a porosidade e o encolhimento podem causar vazamentos e afetar seriamente sua estanqueidade. Portanto, a porosidade e a contração estão entre os principais defeitos de fundição.
① O processo de formação de porosidade
Quando a liga líquida é despejada em um molde cilíndrico, a temperatura da liga líquida diminui gradualmente devido ao efeito de resfriamento do molde. Seu encolhimento líquido continua, mas quando o canal de entrada não é solidificado, a cavidade do molde é sempre preenchida (veja a Figura 3(a)).
À medida que a temperatura cai, a superfície do fundido primeiro se solidifica em uma casca dura, fechando simultaneamente o canal de entrada (veja a Figura 3(b)). Após o resfriamento adicional, o metal líquido dentro da casca continua a encolher, compensando o encolhimento da solidificação que ocorreu quando a casca foi formada.
Como o encolhimento do líquido e o encolhimento da solidificação são muito maiores do que o encolhimento sólido da casca, o nível do líquido cai e se desprende da parte superior da casca (veja a Figura 3(c)). Isso continua, com a casca engrossando e o nível do líquido caindo.
Depois que o metal é completamente solidificado, forma-se uma porosidade em forma de cone na parte superior da fundição (veja a Figura 3(d)). Quando a fundição continua a esfriar até a temperatura ambiente, seu volume encolhe ligeiramente, reduzindo o volume da porosidade (veja a Figura 3(e)). Se um riser for instalado na parte superior da fundição, a porosidade se moverá para o riser.
② Locais de porosidade
Geralmente, ela aparece na última área solidificada da peça fundida, como a parte superior ou central da peça fundida, perto do jito ou onde a parede da peça fundida é mais espessa.
③ Formação de encolhimento
Isso é causado pela compensação insuficiente do encolhimento na última área solidificada da fundição ou porque a liga se solidifica em um estado pastoso e as pequenas áreas líquidas separadas por cristais dendríticos não recebem compensação de encolhimento.
O encolhimento é dividido em macroencolhimento e microencolhimento. A macro-retração são pequenos orifícios visíveis a olho nu ou sob uma lupa, geralmente distribuídos no eixo central da peça fundida ou abaixo da porosidade (Figura 4). A microencolhimento são pequenos orifícios distribuídos entre os grãos, visíveis apenas em um microscópio.
Esse tipo de encolhimento é mais generalizado, às vezes cobrindo toda a seção. É difícil evitar completamente a micro-retratação e, normalmente, ela não é tratada como um defeito para peças fundidas em geral. No caso de peças fundidas com altos requisitos de estanqueidade, propriedades mecânicas, propriedades físicas ou propriedades químicas, é preciso se esforçar para reduzi-la.
Diferentes ligas de fundição têm diferentes tendências a formar porosidade e retração. As ligas de solidificação em camadas (metais puros, ligas eutéticas ou ligas com uma faixa estreita de temperatura de cristalização) têm uma alta tendência à porosidade e uma baixa tendência à retração.
As ligas de solidificação pastosa, embora menos propensas à porosidade, são muito propensas à retração. Como algumas medidas de processo podem controlar o modo de solidificação da fundição, a porosidade e a retração podem ser convertidas mutuamente dentro de uma determinada faixa.
① Implementação da "Solidificação Direcional"
Para evitar cavidades de contração e porosidade, a fundição deve se solidificar de acordo com o princípio da "solidificação direcional". Esse princípio refere-se ao uso de várias medidas técnicas para estabelecer um gradiente de temperatura crescente da parte da peça fundida mais distante da porta até a própria porta.
A solidificação começa na peça mais distante da porta, progredindo gradualmente em direção à porta em ordem, sendo a própria porta a última a se solidificar. Esse processo facilita o encolhimento efetivo da solidificação, movendo as cavidades de encolhimento para a porta e resultando em peças fundidas mais densas.
Portanto, a porta deve ser colocada na parte mais grossa e mais alta da peça fundida, com um tamanho suficientemente grande. Quando possível, o jito deve estar localizado no portão, permitindo que o metal fundido flua primeiro pelo portão.
Ao mesmo tempo, podem ser colocados resfriadores em algumas partes particularmente espessas da fundição (conforme mostrado na Figura 5) para acelerar o resfriamento e maximizar o efeito da contração de solidificação da porta.
Uma desvantagem da solidificação direcional são as diferenças significativas de temperatura ao longo da fundição, causando estresse térmico substancial e possível deformação ou rachadura da fundição.
Além disso, a inclusão de uma porta aumenta o consumo de metal e os custos de limpeza. A solidificação direcional é normalmente usada para ligas com altas taxas de encolhimento e faixas estreitas de temperatura de solidificação (como aço fundido, ferro fundido maleável e latão), bem como para peças fundidas com diferenças significativas na espessura da parede e altos requisitos de estanqueidade.
② Compensação de pressão
Isso envolve a colocação do molde em uma câmara de pressão. Após a fundição, a câmara de pressão é rapidamente fechada para que a fundição se solidifique sob pressão, eliminando a porosidade e as cavidades de contração. Esse método também é conhecido como "fundição em panela de pressão".
③ Uso da tecnologia de impregnação para evitar vazamentos devido a cavidades de encolhimento e porosidade
Isso envolve a infiltração de um agente de impregnação semelhante a um gel nas cavidades do molde e, em seguida, o endurecimento do agente de impregnação e sua integração com as paredes das cavidades do molde para obter a estanqueidade.
Determinação dos locais da cavidade de contração e da porosidade
Para evitar cavidades de contração e porosidade, é essencial avaliar com precisão suas localizações na fundição ao desenvolver o processo de fundição, de modo que as medidas técnicas necessárias possam ser tomadas. Os locais das cavidades de contração e da porosidade são geralmente determinados pelo método da linha isotérmica ou pelo método do círculo inscrito.
① Método da linha isotérmica
Esse método envolve a conexão de pontos na peça fundida que atingem a temperatura de solidificação simultaneamente para formar linhas isotérmicas com base nas condições de dissipação de calor de várias partes da peça fundida. Isso é feito camada por camada até que as linhas isotérmicas na seção transversal mais estreita se toquem.
Dessa forma, a última parte solidificada da fundição, ou seja, a localização das cavidades de contração e da porosidade, pode ser determinada. A Figura 6(a) mostra a posição da cavidade de contração determinada pelo método da linha isotérmica e a Figura 6(b) mostra a posição real da cavidade de contração na fundição, que são basicamente consistentes.
② Método do círculo inscrito
Esse método é frequentemente usado para determinar a localização das cavidades de contração nas paredes de interseção da peça fundida, conforme mostrado na Figura 7(a). Na parte com o maior diâmetro de círculo inscrito (chamada de "ponto quente"), onde mais metal se acumula, a solidificação é geralmente a última a ocorrer, levando facilmente a cavidades de contração e porosidade (Figura 7(b)).
Definição:
A tensão causada pelo encolhimento impedido no estado sólido de uma peça fundida é chamada de tensão de fundição. A tensão de fundição pode ser dividida em três tipos:
Estresse mecânico:
Esse tipo de estresse é temporário, resultante do impedimento mecânico da contração do fundido. Assim que a obstrução mecânica é eliminada, a tensão desaparece. A causa do impedimento mecânico inclui a resistência a altas temperaturas da areia de moldagem (núcleo), a baixa colapsabilidade e a obstrução pelas tiras da caixa de areia e impressões do núcleo.
Estresse térmico:
Isso estresse internoO estresse térmico, conhecido como tensão térmica, é gerado devido à variação da velocidade de resfriamento de diferentes partes da peça fundida, causando encolhimento inconsistente no mesmo período, e existem restrições entre essas partes. Esse estresse térmico permanece mesmo após o resfriamento da peça fundida à temperatura ambiente, por isso também é chamado de tensão residual.
Estresse de mudança de fase:
As mudanças de volume causadas por mudanças de fase na liga sob condições elásticas podem criar tensão de mudança de fase. Se diferentes partes da fundição esfriarem em taxas diferentes, as mudanças de fase não ocorrerão simultaneamente, levando a essa tensão.
A tensão de fundição é a soma algébrica da tensão térmica, da tensão mecânica e da tensão de mudança de fase. Dependendo da situação, essas três tensões podem se sobrepor ou se contrapor. A presença de tensão na fundição pode trazer uma série de efeitos adversos, como causar deformação e rachaduras na fundição, reduzir a capacidade de suporte de carga e afetar a precisão da usinagem.
① Aspectos tecnológicos:
a. A fundição deve ser solidificada de acordo com o princípio da "solidificação simultânea". Para conseguir isso, o sistema de comportas deve ser colocado na área de parede fina e resfriado na área de parede grossa. Isso garante que a diferença de temperatura entre as diferentes partes da peça fundida seja minimizada e que ocorra a solidificação simultânea, reduzindo assim o estresse térmico ao nível mais baixo possível. Deve-se observar que a área central da peça fundida geralmente apresenta porosidade de contração e compactação inadequada nesse momento.
b. Ao aumentar a colapsabilidade do molde e do núcleo, remover a areia e embalar a caixa o mais cedo possível para eliminar obstáculos mecânicos e resfriar lentamente a fundição em um poço de preservação de calor também pode reduzir o estresse da fundição.
② Projeto estrutural:
Busque uma estrutura simples com espessura de parede uniforme e transições graduais de paredes finas para grossas, a fim de reduzir as diferenças de temperatura e permitir que cada peça encolha mais livremente.
③ O estresse térmico em peças fundidas pode ser eliminado por meio de métodos como o envelhecimento natural e o envelhecimento artificial.
① Deformação:
As peças fundidas com tensão estão em um estado instável e reduzem espontaneamente a tensão por meio da deformação para atingir um estado estável. É evidente que somente quando as partes elasticamente esticadas se contraem e as partes elasticamente comprimidas se estendem é que a tensão na peça fundida pode diminuir ou ser eliminada.
A direção da deformação das peças fundidas em forma de T é mostrada pela linha pontilhada na Figura 9(a). Isso ocorre porque, após o resfriamento da peça fundida em forma de T, a parede grossa está sob tensão e a parede fina está sob compressão, semelhante a duas molas de comprimentos diferentes (Figura 9(b)). A mola mais curta no topo é esticada e a mola mais longa embaixo é comprimida para manter o mesmo comprimento (Figura 9(c)).
Entretanto, essa combinação de molas é instável e busca restaurar o estado de equilíbrio original. Portanto, aparece uma deformação de flexão semelhante à situação anterior (Figura 9(d)).
Perigo, contramedidas:
A medida fundamental para evitar a deformação da peça fundida é reduzir a tensão interna da peça fundida. Por exemplo, durante a fase de projeto, procure obter uma espessura uniforme da parede da peça fundida. Ao estabelecer processos de fundição, tente resfriar todas as partes da fundição simultaneamente e aumente a colapsabilidade da areia de moldagem (núcleo).
Na fabricação de padrões, o método de deformação reversa pode ser usado, ou seja, o padrão é feito em uma forma oposta à deformação da fundição com antecedência para compensar a deformação da fundição. A base da máquina-ferramenta mostrada na Figura 10 tem uma deformação de flexão devido aos trilhos grossos e às paredes laterais finas após a fundição. Se o padrão for feito com a curvatura oposta representada pela linha de duas pontas, os trilhos ficarão retos após a fundição.
Deve-se ressaltar que, depois que a fundição é deformada, muitas vezes ela só pode reduzir, mas não eliminar completamente, a tensão da fundição. Após a usinagem, o desequilíbrio de tensão na peça causa mais deformação, afetando a precisão da usinagem. Portanto, para peças fundidas importantes, o recozimento de alívio de tensão deve ser realizado antes da usinagem.
② Rachaduras:
Quando a tensão da fundição excede o limite de resistência do material no momento, podem ocorrer rachaduras na fundição.
As rachaduras podem ser divididas em rachaduras quentes e rachaduras frias.
Elas são formadas em altas temperaturas e são um dos defeitos de fundição mais comuns na produção de peças fundidas de aço, peças em bruto de ferro fundido forjáveis e algumas peças fundidas de ligas leves. Suas características são: o formato da trinca é tortuoso e irregular, a superfície da trinca parece oxidada (a superfície da trinca da fundição de aço parece quase preta, enquanto a da liga de alumínio é cinza escuro) e a trinca passa ao longo dos limites dos grãos. As trincas a quente geralmente aparecem nas últimas partes solidificadas das peças fundidas ou na superfície onde é provável que ocorra concentração de tensão.
Rachaduras frias:
Elas são formadas em baixas temperaturas. Ligas com baixa plasticidade, alta fragilidade e baixa condutividade térmica, como o ferro fundido branco, aço de alto carbonoOs aços de aço, e alguns aços-liga, são propensos a trincas a frio. Suas características são: o formato da trinca é uma linha reta contínua ou uma curva suave, muitas vezes passando pelos grãos. A superfície da trinca é limpa, com brilho metálico ou uma leve cor de oxidação. As trincas a frio geralmente ocorrem em partes de tração do fundido, especialmente em áreas de concentração de tensão, como cantos agudos internos, cavidades de contração e perto de inclusões não metálicas.
Perigo, contramedidas:
Os fatores que reduzem a tensão de fundição ou diminuem a fragilidade da liga (como a redução do teor de enxofre e fósforo no aço) têm um efeito positivo na prevenção de trincas.
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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