Introdução ao método de fundição em casca de espuma perdida

O método de fundição em casca de espuma perdida é um híbrido de fundição de investimento (casca) e fundição por perda de espuma (padrão de vaporização). Neste processo, um modelo de espuma expansível (normalmente EPS) é revestido com um revestimento cerâmico resistente a altas temperaturas (refratário) e cozido para formar um invólucro rígido sobre a espuma. O molde de espuma revestido é colocado numa caixa de molde de areia seca e é aplicado vácuo (pressão negativa).

Antes do vazamento, o padrão de espuma é inflamado (normalmente no jito), de modo a que a espuma seja queimada, deixando uma concha cerâmica oca no interior da areia. O metal fundido é então vertido na cavidade evacuada. O resultado é uma fundição de alta precisão (comparável à fundição por cera perdida em termos de qualidade da superfície), praticamente sem defeitos relacionados com o carbono da espuma. O processo global - desde o fabrico do molde até ao vazamento - é simples, eficiente e de baixo custo, e pode utilizar essencialmente o mesmo equipamento que a fundição por espuma perdida convencional. Apenas uma etapa extra (ignição da espuma) é adicionada imediatamente antes do vazamento, e não são necessárias alterações especiais nas ferramentas.

Descrição do processo

O procedimento típico envolve várias etapas fundamentais:

Fabrico de padrões: É feito um molde de espuma com a forma e o tamanho exactos da peça de fundição desejada. São aplicadas várias camadas de tinta com revestimento refratário na superfície do padrão e secas (frequentemente num forno) para formar uma casca fina e dura. Esta casca servirá de molde de fundição depois de a espuma ser removida.

Embalagem do molde: O padrão de espuma revestido é colocado numa caixa de molde de areia seca. A areia é vibrada ou batida para a compactar confortavelmente à volta do molde. Em seguida, os moldes do sistema de canais (sprue e riser) são posicionados: são enterrados na areia de modo a que os seus topos fiquem na superfície do molde ou imediatamente acima dela. A caixa do molde é então coberta com uma película de plástico (folha de selagem) plana no topo.

Instalar o gating e o vácuo: Com a película colocada, as tiras de argila (areia adesiva) são dispostas à volta da abertura da porta de vazamento e o copo de vazamento (copo de jito) é fixado no exterior. Finalmente, a caixa de areia é selada e ligada a uma bomba de vácuo, que evacua o interior até à pressão negativa necessária.

Após estes passos, o molde embalado está pronto para ser vazado. O molde de espuma (e qualquer espuma na junta) é inflamado (normalmente a partir do copo do jito) sob vácuo. A espuma queima-se rapidamente e os gases de escape são extraídos pelo sistema de vácuo. Depois de a espuma ter desaparecido na sua maior parte (frequentemente 90% queimado), o metal fundido é vertido na cavidade. O invólucro cerâmico suporta agora o metal e a peça fundida solidifica com a forma exacta do padrão de espuma original.

Vantagens e desvantagens

O processo de fundição de concha de espuma perdida oferece vantagens significativas. Ao remover o padrão de espuma antes do enchimento do metal, elimina virtualmente os "defeitos de carbono" inerentes à fundição por espuma perdida convencional. Estes defeitos (do carbono deixado pela espuma) incluem o excesso de carbono na fundição, inclusões de escória, rugas na superfície, composição irregular da liga, grãos grosseiros, zonas de superfície dura/frágil e porosidade.

A eliminação destas fontes de carbono produz excelentes peças fundidas com melhor qualidade interna e acabamento superficial. Na prática, as peças fundidas produzidas por este método podem aproximar-se do nível de qualidade da fundição por cera perdida, ao mesmo tempo que permitem geometrias grandes e complexas a um custo relativamente baixo.

No entanto, o método também apresenta desafios. O processo é sensível às condições de vácuo. Deve ser estabelecido um vácuo inicial suficientemente elevado (por exemplo, >0,06 MPa de pressão negativa) antes da queima da espuma para garantir que permanece um vácuo modesto (≈0,02 MPa) após a queima. Se o vácuo inicial for demasiado baixo, a queima da espuma provoca uma rápida perda de vácuo e o colapso do molde.

Por outro lado, se o vácuo for demasiado elevado, podem ocorrer outros defeitos, como a aderência de areia ou a porosidade na peça fundida. Para além disso, quando o padrão de espuma é consumido, a película de plástico (que cobre o molde) pode queimar na interface do jito ou do riser, permitindo a entrada de ar ou areia. Esta perda súbita de pressão ("três fugas" de areia, ar ou metal) pode provocar o colapso do molde ou prender areia na peça fundida. Na prática, estes factores podem tornar o processo instável sem contramedidas adicionais.

Colapso de conchas: Causas e análise

Um defeito crítico na fundição de conchas de espuma perdida é colapso da concha (também conhecido como defeito "couch"). O colapso ocorre normalmente em grandes peças fundidas ou secções com cavidades fechadas, geralmente durante o vazamento ou a solidificação. As principais causas incluem:

Fluxo instantâneo de metal fundido. Durante o vazamento, parte do metal pode ser desviado por forças externas e contornar certas regiões da cavidade. Por outras palavras, algum metal flui para além da área pretendida e deixa algum volume da cavidade por preencher. Este efeito de "fluxo rápido" significa que a estrutura de areia é carregada de forma desigual, aumentando o risco de colapso em áreas não carregadas.

Resistência insuficiente do revestimento. Antes do burnout, o padrão de espuma amortece o metal que entra e protege a areia. Depois de a espuma ser removida, o molde de areia deve ser suportado apenas pelo revestimento endurecido. Se o revestimento não tiver refractariedade ou resistência a altas temperaturas, não pode suportar totalmente o peso e a erosão do fluxo de metal. Nesse caso, o metal quente pode erodir e enfraquecer localmente a areia circundante, provocando o seu desabamento. Isto é particularmente provável perto de grandes portões internos ou secções finas, onde o invólucro de suporte está sob forte carga metálica.

Evolução excessiva de gás. A queima de um padrão de espuma espessa sob vácuo produz um grande volume de gás repentinamente. Se as aberturas do molde (e a capacidade da bomba de vácuo) não conseguirem acompanhar esta rápida produção de gás, a pressão acumular-se-á. No pior dos casos, o gás preso pode causar abaulamento ou rutura da estrutura do molde. A insuficiência de ventilação ou de potência da bomba pode, portanto, levar diretamente ao colapso da casca durante a queima.

Na prática, quando a espuma se inflama, a moldagem por vácuo convencional (película de plástico que cobre uma caixa de vácuo) tende a falhar. A película queima frequentemente à volta do sprue ou do riser, fazendo com que o vácuo caia vertiginosamente e criando um grande desequilíbrio de pressão entre o interior e o exterior do molde. Este pico de pressão pode facilmente colapsar a casca. Poder-se-ia tentar compensar definindo um vácuo inicial muito elevado (por exemplo, -0,07 MPa), mas em experiências isto introduz frequentemente novos problemas (por exemplo, porosidade de gás) e é difícil de controlar. Em suma, o simples ajuste do vácuo tem-se revelado pouco fiável para evitar o colapso.

Método melhorado de acondicionamento de padrões

Para resolver o problema do colapso, o procedimento de empacotamento de moldes é modificado de modo a que o molde permaneça bem selado mesmo depois de a espuma se queimar. No método melhorado, os moldes de gating são dispostos de forma a sobressaírem através da película de selagem e são reforçados com areia adesiva. Os passos são os seguintes:

O modelo de espuma (modelo fundido) é enterrado e compactado em areia seca como anteriormente.

Os moldes do jito e do riser são posicionados de modo a que os seus topos sobressaem da superfície da caixa de areia.

A película de plástico é colocada de forma plana sobre a caixa de areia, com os padrões de sprue e riser a atravessar a película.

Um anel de areia de ligação (adesiva) é colocado à volta de cada padrão saliente de sprue/riser no topo da película e alisado com espátula. O copo de vazamento é então instalado sobre o sprue.

Finalmente, a caixa de vácuo é selada e ligada à bomba de vácuo como anteriormente.

Esta configuração assegura que a cavidade do molde permanece efetivamente selada durante a queima e o vazamento. Com o sprue e o riser a romperem a película e ligados pela areia, a pressão dentro e fora da cavidade mantém-se equilibrada, mesmo depois de a espuma ser consumida. Por outras palavras, a diferença de pressão do ar através do molde altera-se muito pouco durante o vazamento, pelo que a leitura do medidor de vácuo permanece precisa e estável. Além disso, quando a areia de ligação endurece, mantém a película firmemente contra as superfícies do molde, evitando as "três fugas" (ar, areia ou metal). De facto, o molde comporta-se agora como uma concha fechada: a espuma queima numa cavidade pequena e bem ventilada, em vez de num frasco aberto. Na prática, esta embalagem melhorada quase elimina o colapso da casca e os defeitos de fundição.

Conclusão

Em suma, a fundição de conchas com espuma perdida é um método de fundição de precisão promissor que combina a precisão da fundição de investimento com a simplicidade e flexibilidade dos padrões de espuma perdida. A sua principal vantagem é a eliminação de defeitos de carbono, produzindo peças fundidas de qualidade superior, enquanto o seu principal desafio tem sido evitar o colapso do molde sob vácuo. A técnica de empacotamento melhorada - com a saliência das juntas através da película e o seu reforço com areia adesiva - estabiliza eficazmente a pressão do molde durante a queima. Esta inovação "supera as deficiências originais, elimina o colapso da caixa e garante a qualidade da fundição". Como resultado, o processo permite obter peças fundidas fiáveis de alta qualidade com taxas de refugo reduzidas. Estes aperfeiçoamentos aumentam consideravelmente a utilidade prática da fundição por perda de espuma para a produção de peças complexas de paredes finas com uma precisão de nível de fundição de investimento.

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