Interação Metal-Cerâmica no vazamento de aços no
processo de Fundição por Cera Perdida
José António Nogueira Pinto Pereira
Dissertação de Mestrado
Orientador na FEUP: Prof. Rui Jorge de Lemos Neto
Co-orientador na FEUP: Profª Teresa Margarida Guerra Pereira Duarte Orientador na empresa: Engº Rui Manuel Carvalho Félix
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Resumo
Este trabalho tem como objetivo o estudo da interação entre o metal e a moldação cerâmica no processo de fundição por cera perdida no vazamento de aços. Isto surge na sequência do aparecimento de um defeito superficial nas peças metálicas. Este defeito incide maioritariamente em peças com elevadas espessuras/massividades. Assim sendo, este facto poderá estar relacionado com as elevadas temperaturas que se atingem na carapaça após o vazamento, que despoleta uma maior interação entre o metal e a cerâmica.
Ao longo deste projeto, foram testados vários parâmetros do processo. Inicialmente, relacionados com o sector da fusão: temperatura de vazamento, temperatura de pré-aquecimento da moldação e condições de arrefecimento (atmosfera envolvente e velocidade de arrefecimento). De seguida, parâmetros relacionados com o sector da cerâmica: espessura e tipo de areia utilizada na primeira camada. Foram também analisadas ao microscópio eletrónico duas peças iguais com qualidade superficial distinta. Realizaram-se análises de e Raios-X e de Fluorescência de Raios-X à areia de zircão, para testar a existência de impurezas neste material. Para enriquecer este trabalho de investigação foi ainda produzida uma moldação com materiais de outra empresa.
Após a análise dos resultados e depois de se ter verificado uma oscilação na qualidade superficial das peças, chegou-se à conclusão que o principal factor que estaria a originar uma interação metal cerâmica mais forte eram impurezas na areia de zircão utilizada na primeira camada da moldação.
Metal/Mould Interaction on Investment Casting Process
Abstract
The aim of this work was to study metal/mould interaction at steel pouring in investment casting process. This results in a superficial defect in the metal parts. This defect affects mainly parts with high thicknesses/massivities. Therefore, it can be related to the high temperatures that mould reaches after pouring. This promoves a greater metal/mould interaction.
Throughout this study, several process parameters were tested. Initially at the open air melting sector: pouring temperature, mould pre-heating temperature and cooling conditions (surrounding atmosphere and cooling rate). Then, parameters related with ceramic sector were tested too: thickness and type of sand used in the first layer, and silicon carbides utilization. Two equal pieces with different surface quality were also analyzed under the electron microscope. To test the presence of impurities in the zircon sand, were performed analyzes X-Ray Diffraction and X-X-Ray Fluorescence. In order to enrich this work, it was been used a material from another company too. After analysis of the results and after an oscilation in the surface quality of the metal parts, it was concluded that the main factor that would be giving rise to a stronger mould/metal interaction were impurities in the zircon sand used in the first molding layer.
Agradecimentos
Ao Eng.º Rui Neto, orientador na FEUP, pelo privilégio em poder aprender e trabalhar consigo e pela atenção que sempre me prestou. Foi uma honra ter estado mais próximo de si e ter contacto com todo o seu conhecimento e principalmente com a sua simplicidade e humildade. À Prof.ª Teresa Duarte por toda a disponibilidade e acompanhamento permanentes. A proximidade com que trata os alunos é excepcional.
Aos meus orientadores na empresa, Eng.º Pedro Rocha, Eng.º Bruno Rodrigues e Eng.º Rui Félix, pela forma como me receberam e facilitaram a integração na empresa. Agradeço também ao Eng.º Miguel Ribeiro. Pela partilha de conhecimento e por colocarem todos os recursos à minha disposição.
À Zollern & Comandita, pela oportunidade de contactar com o ambiente empresarial. A todos os seus colaboradores, e, em especial, ao Sr. Luís Batista, Sr. João Pires e à Sr.ª Fátima Brás. Ao Inegi e aos seus colaboradores com quem trabalhei diretamente, Engº Rui Soares e Sr. Hugo Ribeiro, por me terem facultado todas as condiçoes para a realizaçao dos ensaios.
À Dr.ª Susana Olhero, da Universidade de Aveiro, por possibilitar a realização de algumas análises a materiais e pela partilha de conhecimento.
A todos os meus amigos que fizeram com que tivesse vários momentos de escape, dando-me força e motivação para continuar.
À Diana pelo carinho e paciência com que me acompanhou diariamente e me apoiou nos momentos mais dificeis.
Aos meus pais e a minha irmã, dirijo um agradecimento especial pelo apoio incondicional, incentivo, amizade e paciência demonstrados. Pela ajuda na superação das dificuldades que foram surgindo. A eles dedico este trabalho.
Por fim, agradeço ao projeto NORTE-01-0145-FEDER-000022 – SciTech – Science and Technology for Competitive and Sustainable Industries, co-financiado pelo Programa Operacional Regional do Norte (NORTE2020), através Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER).
Índice de Conteúdos
1 Introdução ... 1
1.1 Objetivos ... 1
1.2 Enquadramento do projeto e motivação ... 1
1.3 Apresentação da Empresa – Zollern & Comandita ... 2
1.4 Estrutura da dissertação ... 2
1ª Parte - Revisão Bibliográfica 2 Processo de Fundição por Cera Perdida ... 3
2.1 Produção dos Modelos ... 4
2.2 Carapaças Cerâmicas... 6 2.3 Refratários ... 10 2.4 Descerificação ... 21 2.5 Sinterização ... 21 2.6 Preparação da Moldação ... 22 2.7 Fusão e Vazamento ... 22 2.8 Acabamentos ... 24 2.9 Interação metal-cerâmica ... 25
3 Defeitos associados ao processo de fundição por cera perdida ... 29
3.1 Mal Ligado – “Cold Shut” ... 29
3.2 Porosidades ... 29
3.3 Escória (“Slag”) ... 31
3.4 Fissuração a quente (“Hot tears”) ... 31
3.5 Inclusões ... 32
3.6 Inclusões Cerâmicas ... 32
3.7 Metal excessivo devido a falha da carapaça ... 33
3.8 Fratura da moldação (“Mold Cracking”)... 34
3.11Contrações nas superfícies – Rechupes (“Shrinkage”) ... 35
3.12Pitting ... 36
3.13Defeito superficial “Sandpaper” ... 36
3.14Grãos (“Pimples”) ... 37
3.15“Burnin” ou “Burnon” ... 37
3.16Manchas Escuras ... 38
2ª Parte - Procedimento Experimental, Apresentação de Resultados e sua Discussão 4 O problema a ser investigado - defeito superficial ... 39
4.1 O fabrico das moldações ... 41
5 Análises e ensaios realizados no setor da Fusão ... 45
5.1 Impacto da temperatura de vazamento na composição química ... 45
5.2 Impacto da temperatura de vazamento e das condições de arrefecimento ... 46
5.3 Impacto da temperatura de pré-aquecimento da moldação ... 48
5.4 Efeito da atmosfera redutora durante o arrefecimento ... 49
5.5 Impacto da velocidade de arrefecimento ... 51
5.6 Impacto do tipo de atmosfera envolvente... 52
6 Análise de 2 peças com qualidade superficial distinta ... 55
6.1 Composição química e observação ao microscópio ótico ... 56
6.2 Observação ao microscópio eletrónico (SEM) das superfícies metálicas ... 56
6.3 Observação ao microscópio eletrónico de duas moldações (ZCP e ZGT) ... 60
6.4 Análise de impurezas e da cristalinidade da Farinha e da Areia de Zircão ... 73
7 Análises e ensaios realizados no sector da Cerâmica ... 81
7.1 Variaçao da espessura da 1ªcamada ... 81
7.2 Utilização de Carboneto de Silício na última camada da moldação ... 83
7.3 Revestimento com materiais INEGI ... 83
7.4 Utilização de Alumina na 1ª ou na 2ª camada ... 84
7.5 Resultados ... 84
8.1 Conclusões ... 89
8.2 Trabalhos Futuros ... 90
Referências ... 91
ANEXO A: Resultados XRD da Areia de Zircao (INEGI e Zollern) ... 93
Índice de Figuras
Figura 1: Diagrama de Ellingham (Ellingham 1944) ... 8
Figura 2: Estrutura química do zircão (Leal-Ayala et al. 2015) ... 10
Figura 3: Expansão linear de refratários frequentemente utilizados em “investment casting” (Prasad 2012) ... 15
Figura 4: Formação de sílica gel versus precipitação (Duarte et al. 2004) ... 16
Figura 5: Boilerclave e a sua vista em corte (Pickard 2010) ... 21
Figura 6: Filtros cerâmicos (Brown 1994) ... 23
Figura 7: Variação da temperatura na secção da moldação de uma peça de 5 kg (Jones 1993) ... 27
Figura 8: Variação da temperatura na secção da moldação de uma peça de 60kg (Jones 1993) ... 28
Figura 9: Esquematização e exemplo real de uma descontinuidade causada por falta de fusão (Moreira 2014) ... 29
Figura 10: Esquematização e exemplo real com poros devido à retenção de ar (Moreira 2014) ... 30
Figura 11: Bolhas resultantes da má queima da moldação (“pinholes”) (Bijvoet 2005) ... 30
Figura 12: Esquematização e exemplo real das cavidades com formato esférico, podendo conter marcas de oxidação (“blowholes-gas”) (Moreira 2014) ... 30
Figura 13: Esquematização e exemplo real das cavidades devido à presença de escória (Moreira 2014) ... 31
Figura 14: Esquematização e exemplo real de uma peça com uma fissura a quente (Moreira 2014) ... 32
Figura 15: Esquematização e exemplo real de uma peça com inclusões (Moreira 2014) ... 32
Figura 16: Esquematização e exemplo real de uma peça com inclusões cerâmicas (Moreira 2014) ... 33
Figura 17: Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos de excesso de metal (Moreira 2014) ... 33
Figura 18: Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos derivados da fratura da
carapaça (Moreira 2014) ... 34
Figura 19: Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos derivados do mau enchimento (Moreira 2014) ... 34
Figura 20: Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos derivados do abatimento da camada primária (Moreira 2014) ... 35
Figura 21: Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos de contração na superfície (Moreira 2014) ... 35
Figura 22: Exemplos reais de peças com defeito “pitting” (Bijvoet 2005) ... 36
Figura 23: Exemplo de uma superfície com defeito “sandpaper” (Bijvoet 2005) ... 36
Figura 24: Exemplo real de uma peça com defeitos derivados da penetração de metal na carapaça (Bijvoet 2005) ... 37
Figura 25: Exemplo real de uma peça com defeito “burnin” (Bijvoet 2005) ... 37
Figura 26: Exemplo de uma peça com manchas escuras (Bijvoet 2005) ... 38
Figura 27: Exemplo de uma peça (Peça A) da produção atual com espessuras de cerca de 20mm (Março de 2017) ... 39
Figura 28: Peça A da produção do ano de 2005 (arquivo morto da Zollern) ... 40
Figura 29: Esquema/resumo do procedimento experimental desenvolvido durante o projeto. 43 Figura 30: Peça B (dimensões aproximadas: 40x40x20mm) ... 45
Figura 31: Cacho metálico do provete (espessuras mínima e máxima de 5 e 15 mm, respetivamente) ... 47
Figura 32: Superfície de uma das peças do 1º provete ... 49
Figura 33: Superfície de uma das peças do 2º provete ... 49
Figura 34: Superfície de uma das peças do 3º provete ... 49
Figura 35: Gráfico de distribuição de classes para atmosfera rica em monóxido de carbono de 228 peças (90g de cera) ... 50
Figura 36: Diferentes classes consoante a incidência do defeito de pele ... 50
Figura 39: Gráfico de distribuição de classes para atmosfera rica em carbono de 214 peças (240g
de cera) ... 52
Figura 40: Gráfico de distribuição de classes para atmosfera inerte de azoto de 221 peças .... 52
Figura 41: Peça C cuja moldação foi produzida na ZCP, com maior defeito de pele ... 55
Figura 42: Peça C produzida na ZGT com boa qualidade superficial ... 55
Figura 43: Microestrutura ZCP, numa zona perto da superfície com defeito de pele ... 55
Figura 44: Microestrutura ZCP à superfície ... 55
Figura 45: Microestrutura ZCP após ataque ... 55
Figura 46: Microestrutura ZGT, numa zona perto da superfície com defeito de pele ... 55
Figura 47: Microestrutura ZGT à superfície... 55
Figura 48: Microestrutura ZGT após ataque ... 55
Figura 49: Micrografia em SEM da amostra metálica ZCP à superfície ... 57
Figura 50: Micrografia em SEM da amostra metálica ZCP à superfície ... 57
Figura 51 Espectro da Zona 2 da superfície metálica da amostra ZCP ... 58
Figura 52: Espectro da Zona 3 da superfície metálica da amostra ZCP ... 58
Figura 53: Micrografia em SEM da amostra metálica ZGT à superfície ... 59
Figura 54: Micrografia em SEM da amostra metálica ZGT à superfície ... 59
Figura 55: Espectro da Zona 2 da superfície metálica da amostra ZGT ... 60
Figura 56: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZCP em corte ... 61
Figura 57: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZCP em corte ... 61
Figura 58: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZCP em corte ... 62
Figura 59: Espectro da Zona 1 da amostra da carapaça ZCP em corte ... 62
Figura 60: Espectro da Zona 3 da amostra da carapaça ZCP em corte ... 63
Figura 61: Espectro da Zona 4 da amostra da carapaça ZCP em corte ... 63
Figura 62: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZGT em corte ... 64
Figura 63: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZGT em corte ... 64
Figura 65: Espectro da Zona 1 da amostra da carapaça ZGT em corte ... 65
Figura 66: Espectro da Zona 2 da amostra da carapaça ZGT em corte ... 66
Figura 67: Espectro da Zona 3 da amostra da carapaça ZGT em corte ... 66
Figura 68: Espectro da Zona 5 da amostra da carapaça ZGT em corte ... 67
Figura 69: Espectro da Zona 7 da amostra da carapaça ZGT em corte ... 67
Figura 70: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZCP à superfície ... 68
Figura 71: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZCP à superfície ... 68
Figura 72: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZCP à superfície ... 69
Figura 73: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZCP à superfície ... 69
Figura 74: Espectro da Zona 1 da amostra da carapaça ZCP à superfície ... 70
Figura 75: Espectro da Zona 2 da amostra da carapaça ZCP à superfície ... 70
Figura 76: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZGT à superfície ... 71
Figura 77: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZGT à superfície ... 71
Figura 78:Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZGT à superfície ... 72
Figura 79: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZGT à superfície ... 72
Figura 80: Exemplo de um padrão obtido da mistura de várias fases por difração de raios-X (Speakman) ... 74
Figura 81: Resultado XRD da areia de zircão do INEGI ... 76
Figura 82: Resultado XRD da areia de zircão da Zollern (não moída) ... 76
Figura 83: Resultado XRD da areia de zircão da Zollern (moída) ... 77
Figura 84: Fotografia da superfície do tarugo 1.1 ... 82
Figura 85: Fotografia da superfície do tarugo 1.2 ... 82
Figura 86: Fotografia da superfície do tarugo 2.1 ... 82
Figura 87: Fotografia da superfície do tarugo 2.2 ... 82
Figura 88: Carapaça com última camada em carbonetos de silício ... 83
Figura 89: (a) cacho em cera; (b) após aplicação da 1ª camada do revestimento; (c) moldação final ... 84
Figura 90: Fotografia do cacho ainda com o sistema de alimentação ... 85
Figura 91: Fotografias da superfície das peças do cacho com procedimento normal: (a) posição 1, (b) posição 2, (c) posição 3, (d) posição 4 ... 86
Figura 92: Ensaio com areia de alumina na 1ª camada (Secção 7.4) ... 86
Figura 93: Ensaio com areia de alumina na 2ª camada (Secção 7.4) ... 87
Figura 94: Ensaio com materiais do INEGI (Secção 7.3) ... 87
Figura 95: Ensaio com última camada em carboneto de silício (Secção 7.2) ... 87
Figura 96: Peça depois da grenalhagem em aço (ensaio com areia de alumina na 1ª camada) 88 Figura 97: Peça depois da grenalhagem em aço (obtida pelo procedimento standard) ... 88
Figura 98: Resultado XRD da farinha de zircão da Zollern ... 93
Figura 99: Resultado XRD da farinha de zircão do INEGI ... 93
Figura 100: Composição química de uma amostra de uma peça da ZGT obtida por espectrometria ... 94
Figura 101: Composição química de uma amostra de uma peça da ZGT obtida por espectrometria ... 94
Índice de Tabelas
Tabela 1: Resumo das propriedades térmicas de diferentes cerâmicos (Barrigana 2013) ... 7
Tabela 2: Composição química e propriedades físicas da areia de zircão (Pirkle and Podmeyer 1993) ... 12
Tabela 3: Comparação das propriedades do silicato de etilo hidrolisado e da sílica coloidal (Duarte et al. 2004) ... 17
Tabela 5: Temperaturas de fusão e amolecimento de alguns refratários ... 28
Tabela 6: Composição química das ligas críticas (% em peso) (tolerâncias DIN)... 40
Tabela 7: Sequência de camadas para fabrico de uma carapaça cerâmica ... 42
Tabela 8: Média da percentagem de cada elemento para as diferentes gamas da temperatura máxima efetiva do vazamento ... 45
Tabela 9: Média da percentagem de cada elemento para as diferentes gamas da temperatura mínima efetiva do vazamento ... 46
Tabela 10: Planeamento de ensaios para testar a temperatura de vazamento e as condições de arrefecimento ... 47
Tabela 11: Temperatura de vazamento efetiva e temperatura de pré-aquecimento dos 3 provetes ... 48
Tabela 11: Composição química das duas peças (uma produzida na ZCP, outra na ZGT) ... 56
Tabela 12: Composição química da farinha de zircão da Zollern e do INEGI (resultados XRD) ... 75
Tabela 13: Resultados da análise XRF da areia de zircão (INEGI e Zollern) e dados do fornecedor Zollern ... 78
Tabela 14: Resultados da análise XRF da areia de zircão (INEGI e Zollern) – elementos residuais ... 79
Tabela 15: Designação dos tarugos consoante a altura em que foram vazados e a espessura da 1ª camada da moldação... 81
1 Introdução
1.1 ObjetivosEsta dissertação foi realizada para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, e tem como principal objetivo o estudo da interação entre o metal e a cerâmica no processo de fundição por cera perdida que se pensa estar na origem de um defeito superficial.
Este projeto foi praticamente todo realizado na empresa de acolhimento “Zollern & Comandita Portugal”, localizada no concelho da Maia. No entanto, também foram desenvolvidos alguns ensaios na empresa INEGI.
Relativamente aos objetivos gerais desta dissertação, procura-se perceber o que está a desencadear a reação entre o metal e a cerâmica que por sua vez está na origem do defeito superficial. Na prática, o objetivo principal deste projeto será tentar identificar a causa do problema e solucionar o mesmo.
1.2 Enquadramento do projeto e motivação
Esta dissertação vai abordar a temática da interação entre o metal líquido e a cerâmica da carapaça. Aquando o vazamento, o metal pode atingir temperaturas na ordem dos 1700oC, pelo que é importante que a carapaça cerâmica tenha um conjunto de propriedades que lhe permitam resistir ao contacto com o metal e que assegurem a boa qualidade superficial dos componentes fundidos.
A qualidade superficial das peças tem sido um problema na Zollern & Comandita Portugal (ZCP). Apesar do defeito superficial que tem surgido em várias peças, este não é tão grave assim e, normalmente, não é um problema para o cliente, pelo que as peças não são consideradas sucata. Trata-se de um número elevado de pequenas depressões, como se fossem “picadas”. Pensa-se que este problema seja causado no momento após o vazamento e durante a solidificação do metal, devido à interação do metal com a moldação ou com a própria atmosfera envolvente. Este assunto será desenvolvido daqui em diante.
1.3 Apresentação da Empresa – Zollern & Comandita
A Zollern & Comandita Portugal é uma empresa pertencente ao grupo alemão Zollern GmbH & Co.KG de Sigmaringen (ZGT), situado no sul da Alemanha e fundado no ano de 1708. Em Portugal, foi fundada no ano de 1991 e situa-se na Maia, na grande área do Porto. Dedica-se particularmente ao processo de fundição de precisão por cera perdida de vários aços. Produzem maioritariamente para a indústria automóvel – pás de turbina.
Seguindo a sequência do processo, a ZCP possui um sector de injeção de cera, duas linhas de produção de carapaças cerâmicas, um sector de fusão com 3 fornos de indução e 2 fornos rotativos, uma linha de acabamentos e uma secção de tratamentos térmicos.
A empresa possui ainda outras secções de menor dimensão como o controlo de qualidade e a maquinagem. A primeira é responsável pelo controlo dimensional 3D, mas a sua principal atividade é a execução de ensaios não destrutivos, nomeadamente, o controlo por líquidos penetrantes e partículas magnéticas. A secção de maquinagem é responsável pela produção de alguns moldes (a maioria vem da casa mãe) e por algumas operações de maquinagem para finalizar a forma de algumas peças.
O projeto foi desenvolvido maioritariamente nas secções de Fusão e Cerâmica, onde foram realizados vários ensaios.
1.4 Estrutura da dissertação
Esta dissertação pode ser dividida em várias partes. A primeira parte é a introdução bibliográfica onde são explicadas as várias etapas do processo, respeitando a sua sequência. Além disso, são apresentados alguns temas que são importantes para a compreensão de todos os ensaios e análises efetuadas nesta dissertação. Segue-se a apresentação dos vários tipos de defeitos que podem ser encontrados neste processo.
Nas secções seguintes, são descritos vários procedimentos experimentais onde se procurou analisar a forma como o defeito superficial se comportava, fazendo alterações a variados parâmetros do processo. Numa fase inicial, realizou-se uma análise de dados onde se procuraram relações entre parâmetros do processo e o aparecimento do problema. Posteriormente, foram realizados testes, na secção da Fusão e na secção da Cerâmica.
Ao longo da dissertação vai sendo feita uma análise dos resultados, tentando seguir pistas e descartar possíveis causas do problema.
Por fim, nas conclusões e trabalhos futuros compilam-se todas as conclusões retiradas do trabalho realizado e definem-se trabalhos futuros com base nesta dissertação para uma análise mais aprofundada do tema.
2 Processo de Fundição por Cera Perdida
O processo de fundição por cera perdida ou fundição de precisão, também designado por “investment casting”, começou a ser utilizado na produção de armamento, joalharia e peças de arte, no tempo das antigas civilizações egípcias (cerca de 1500 A.C.), sendo um dos processos de fabrico mais antigos (Campos 2013).
Atualmente, existe uma enorme gama de componentes obtidos por este processo, nomeadamente, aplicações aeronáuticas e aeroespaciais (pás de turbina), indústria automóvel, medicina dentária e de reabilitação, joalharia, máquinas-ferramentas, entre muitas outras. O processo é dividido em várias etapas:
• Projeto e conceção do molde para a injeção de cera
• Obtenção dos modelos em cera e construção do cacho: procede-se à colagem dos modelos em cera num sistema de gitagem. Este conjunto denomina-se por “árvore” ou “cacho”.
• Produção da moldação cerâmica: o cacho é revestido por várias camadas de material refratário. Isto inclui a imersão numa barbotina e posterior polvilhação de partículas cerâmicas (areia). Nas primeiras camadas utiliza-se areia de granulometria mais fina para dar melhor qualidade superficial à peça. Depois, a areia mais grosseira é utilizada nas últimas camadas para conferir espessura e resistência mecânica à carapaça.
• Descerificação: a cera é extraída da carapaça. No boilerclave, as elevadas temperaturas fazem com que a cera fique no estado líquido, abandonando assim a moldação.
• Sinterização da carapaça: é feita a elevadas temperaturas e confere à moldação melhores propriedades mecânicas. Após a sinterização, a moldação é mantida no forno até ao vazamento, garantindo o seu pré-aquecimento.
• Vazamento do metal na moldação.
• Abate da moldação. Depois da solidificação e arrefecimento do metal, a carapaça cerâmica é destruída (recorrendo-se normalmente a um martelo pneumático) e são cortados os gitos e canais de alimentação.
• Acabamento da peça. Polimento, rebarbagem e endireitamento, dependendo das especificações de cada peça.
As principais vantagens que se atribuem a este processo de fabrico são:
• Obtenção de componentes com formas complexas difíceis (ou mesmo impossíveis) de obter por outros processos.
• Obtenção de tolerâncias dimensionais mais apertadas e de boa qualidade superficial. • Grande versatilidade de formas, principalmente para pequenas dimensões.
• Fiabilidade no que diz respeito às propriedades mecânicas e à rugosidade.
No entanto, é um processo longo e muito caro. Normalmente, um terço dos custos está associado com as operações de acabamento.
Por ser um processo complexo, precisam de ser controlados vários parâmetros. Os mais importantes são a temperatura de pré-aquecimento da carapaça, a temperatura de vazamento do metal e a seleção dos materiais para cada camada da carapaça cerâmica.
2.1 Produção dos Modelos
Um modelo tem a geometria que se pretende dar à peça final e o material usado para a sua produção é, normalmente, a cera. No entanto, também pode ser usado plástico ou a mistura dos dois.
As ceras são normalmente misturadas com aditivos. Esta mistura é controlada com determinadas proporções de forma a obter as propriedades desejadas.
As parafinas e ceras microcristalinas são as mais comuns e são muitas vezes combinadas uma vez que se complementam.
As parafinas têm um ponto de fusão entre os 52 e os 68oC, baixa viscosidade e são de baixo custo. No entanto, têm um elevado coeficiente de contração durante o arrefecimento e são frágeis (Pattnaik, Karunakar, and Jha 2012).
As ceras microcristalinas têm um comportamento bastante plástico e fornecem tenacidade à mistura. Existem várias classes de diferentes durezas e viscosidades. Têm um elevado ponto de fusão e são utilizadas em conjunto com a parafina (Barrigana 2013).
As propriedades que se pretende que a cera possua são as seguintes (Pattnaik, Karunakar, and Jha 2012):
• Coeficiente de expansão térmica mais baixo possível, por uma questão de precisão dimensional.
• Boa resistência mecânica à temperatura ambiente;
• Baixa viscosidade, para que preencha a moldação completa facilmente; • Fácil de desmoldar;
• Ponto de fusão não deve ser muito elevado para diminuir a suscetibilidade de distorção de secções de maior dimensão e cavitações à superfície.
• Originar superfícies lisas, uma vez que será o ponto de partida para a peça final. • Baixo custo e fácil reciclagem.
Normalmente, combinam-se dois tipos de cera com diferentes pontos de fusão. Isto é, utiliza-se uma cera com menor ponto de fusão para o sistema de gitagem e outra com maior ponto de fusão para o modelo. Assim garante-se a rápida fusão da cera de gitagem, dando espaço à cera dos modelos para expandir quando atinge a sua temperatura de fusão. Caso contrário, a pressão nas carapaças devido à expansão da cera seria demasiado elevada e poderia levar à fratura das mesmas (Barrigana 2013). Uma alternativa, utilizada na ZCP, é usar o mesmo tipo de cera na gitagem e nos modelos, mas, em contrapartida, o conjunto é coberto por uma camada de parafina que é responsável pelo tal “amortecimento” da expansão da cera uma vez que esta funde a uma temperatura mais baixa.
Mesmo assim, as ceras são normalmente misturadas com aditivos que permitem ajustar as suas propriedades, nomeadamente a sua resistência mecânica e controlo dimensional.
Para resolver o problema da resistência mecânica, podem ser adicionados plásticos como o polietileno. Esta adição também contribui para a melhoria do controlo dimensional. No entanto, podem ser ainda adicionadas resinas e cargas.
Geralmente, recorre-se mais frequentemente às cargas. Estas têm um ponto de fusão superior e são insolúveis na cera base, contribuindo assim para reduzir a contração durante a solidificação. Relativamente ao processo de fabrico dos modelos, estes são produzidos por injeção da cera em moldes de metal.
Cada modelo, deve ter os parâmetros de injeção bem definidos de forma a otimizar o processo, isto é obter menor quantidade de defeitos superficiais. Os parâmetros são definidos de acordo com fatores como a geometria da peça e o tipo de cera. Os mais relevantes são (Pattnaik, Karunakar, and Jha 2012):
• Pressão de Injeção; • Temperatura da cera; • Tempo de Injeção;
• Tempo de Arrefecimento; • Temperatura do Molde.
Os moldes podem ser produzidos em aço, ligas de alumínio, bronze, latão, ligas de baixo ponto de fusão, gesso, plástico, entre outros. A seleção do material depende do tamanho da série que se pretende fabricar, do prazo de entrega e da qualidade superficial que se pretende dar à peça.
Geralmente, utilizam-se moldes em aço quando estamos perante uma exigência maior relativamente à temperatura de fusão e à quantidade de peças que se pretende injetar. Uma boa alternativa são as ligas de alumínio, uma vez que é suficiente para corresponder às exigências da cera e, além disso, é mais fácil de maquinar do que o aço.
Para o controlo de temperatura do molde, normalmente de aço ou liga de alumínio, estes são normalmente refrigerados por placas de arrefecimento, onde circula água.
Na ZCP, utilizam-se 3 tipos de cera: • Cera virgem, de cor vermelha. • Cera plástica, de cor azul. • Cera reciclada.
A cera plástica é usada nas máquinas de injeção automáticas, para produção de grandes séries (pás de turbina). É um tipo de cera mais resistente.
A cera virgem é usada nas restantes máquinas (manuais e semiautomáticas), muito estável a nível dimensional e confere bom acabamento. No entanto, não é tão resistente como a cera plástica, pelo que é necessário maior cuidado na extração das peças do molde, principalmente nas peças de geometria mais complexa.
A cera reciclada é utilizada maioritariamente para sistemas de gitagem, mas também pode ser utilizada para peças com exigências dimensionais e superficiais menos apertadas (Campos 2013).
Após a injeção dos sistemas de gitagem, é-lhes colocada uma bacia de vazamento em cerâmica e posteriormente são banhados com parafina. Depois, procede-se à colagem dos modelos no sistema de gitagem com auxílio de um ferro de solda que funde a cera. Este procedimento é manual e requer alguma perícia devendo garantir que não se danificam os modelos com pingos de cera.
2.2 Carapaças Cerâmicas
O processo de produção de carapaças cerâmicas consiste na deposição de várias camadas de revestimentos cerâmicos. Cada revestimento é constituído por uma camada de barbotina e por partículas cerâmicas. A barbotina é uma pasta cerâmica líquida que resulta de uma mistura de farinha com um ligante.
Este processo pode ser resumido nos seguintes passos: • O cacho de cera é mergulhado na barbotina.
• É retirado e manipulado de forma a eliminar o excesso de barbotina. Obtém-se assim uma camada de barbotina uniforme em toda a superfície do cacho.
• A areia cerâmica é polvilhada em volta do cacho, cobrindo assim toda a superfície do cacho.
• Secagem do revestimento.
• As operações anteriores são repetidas até a carapaça atingir a espessura desejada. Normalmente, o tipo de barbotina e o tipo de areia são alterados entre camadas.
• Aplicação da camada final que consiste apenas num banho de barbotina que garante que as partículas cerâmicas da última camada não se desprendem.
O tamanho de grão da areia é mais fino nas primeiras camadas e mais grosseiro nas seguintes. Normalmente, a primeira camada denomina-se por “facecoat” enquanto as posteriores se denominam por “backup”.
A seleção de matérias-primas é fundamental para a obtenção de uma peça final de qualidade. Assim, deve-se ter em conta as propriedades dos materiais, nomeadamente (Félix 2008):
• Energia livre de formação;
• Temperatura de fusão/amolecimento; • Propriedades térmicas;
• Disponibilidade/custo.
Na Tabela 1 apresentam-se propriedades de alguns dos refratários mais utilizados no investment
casting.
Tabela 1: Resumo das propriedades térmicas de diferentes cerâmicos (Barrigana 2013) Coeficiente de Expansão Térmica (x10-6 K-1) 20-1000oC Condutividade Térmica (Wm-1 K-1) 20-26oC Energia Livre de Formação (kJ/mol O2) Temperatura de Amolecimento (oC) ZrO2 10,0 2,5 -743 (a 1900K) 2010 Y2O3 8,1 8,0-12,0 -989 (a 1469K) 1855 Al2O3 8,0 28,0-35,0 -711 (a 1900K) 1540 (Sílica Fundida) SiO2 0,5-0,8 1,2-1,4 -610 (a 1685K) 1280 MgO 9,0-12,0 30,0-60,0 -684 (a 1900K) 2100 CaO 15,2 30, -899 (a 1756K) 1950 ZrSiO4 4,5 8,0 - 1815
2.2.1. Energia livre de formação
A energia livre de formação, ou energia livre de Gibbs, é uma medida do potencial termodinâmico que faz com que a reação ocorra.
Na prática, a análise desta propriedade está muitas vezes ligada à leitura dos diagramas de Ellingham. O diagrama de Ellingham, representado na Figura 1, relaciona a energia livre de formação com a temperatura. Para a maior parte dos óxidos metálicos, o valor desta propriedade é negativa, pelo que o diagrama só apresenta valores abaixo de zero uma vez que a reação de formação dos óxidos metálicos é exotérmica.
Quanto mais negativo for o seu valor, maior será a estabilidade do óxido. Assim sendo, a estabilidade de um óxido é tanto maior quanto mais abaixo no diagrama ele estiver (Félix 2008). Ou seja, um metal pode reduzir os óxidos de todos os metais cujas linhas estejam acima da desse metal no diagrama (Barrigana 2013).
Por exemplo, admitindo uma liga rica em manganês (elemento químico presente nos aços), para uma reação a 2000K entre manganês e sílica, a energia livre de formação é calculada da seguinte forma: 𝑆𝑖(𝑙) + 𝑂2(𝑔) → 𝑆𝑖𝑂2(𝑠) 2𝑀𝑛(𝑙) + 𝑂2(𝑔) → 2𝑀𝑛𝑂(𝑠) 2𝑀𝑛(𝑙) + 𝑆𝑖𝑂2(𝑠) → 2𝑀𝑛𝑂(𝑠) + 𝑆𝑖(𝑙) ∆𝐺 = −546 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙⁄ ∆𝐺 = −478 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙⁄ ∆𝐺 = 68 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙⁄
Como a energia livre de Gibbs da reação é positiva, então a reação não favorece a formação de produtos, logo o manganês não consegue reduzir a sílica, em teoria.
2.2.2. Temperatura de fusão/amolecimento
A temperatura de fusão do material é fundamental, mas também se deve ter em conta a temperatura de amolecimento que corresponde a cerca de ¾ da temperatura de fusão. Quando é ultrapassada a temperatura de amolecimento do material, podem ocorrer modificações na estrutura do componente cerâmico, tais como deformações permanentes e rotura após aplicação de baixas solicitações. Existem ainda propriedades que se relacionam com estas duas temperaturas, nomeadamente, a condutividade térmica e elétrica e o calor específico (Tabela 1) (Félix 2008).
2.2.3. Propriedades Térmicas
As propriedades térmicas mais relevantes na seleção de materiais para a carapaça são o coeficiente de expansão térmica e a condutividade térmica.
A condutividade térmica mede a capacidade de um material transferir energia na forma de calor. Este valor varia com a temperatura e normalmente é tabelado em relação ao desempenho térmico à temperatura ambiente. Por isso, é errado pensar que o comportamento térmico de um material cerâmico à temperatura ambiente vai ser igual ao seu comportamento a temperaturas elevadas. No entanto, é um bom ponto de partida para comparar materiais. Outro problema tem que ver com a porosidade das carapaças, uma vez que a condutividade térmica do ar é muito mais baixa e, dessa forma, quanto maior a porosidade, menor será a condutividade térmica da carapaça (Barrigana 2013).
O coeficiente de expansão térmica do cerâmico é também importante e deve ser o mais próximo possível do da liga a vazar, para garantir que a sua expansão e contração são semelhantes. No entanto, este também varia com a temperatura.
Alguns valores de propriedades de materiais cerâmicos utilizados em moldações podem ser analisados na Tabela 1.
2.2.4. Disponibilidade/custo
Embora haja refratários que possuem uma energia livre de formação muito negativa, por vezes a sua disponibilidade não possibilita a sua utilização devido ao seu elevado custo.
2.3 Refratários
Os refratários com maior potencial e mais frequentemente utilizados para o fabrico do facecoat são o zircão, a alumina, a ítria, a zircónia, a cálcia e a magnésia.
Zircão – ZrSiO4
O zircão é um cerâmico com elevado ponto de fusão, baixo coeficiente de expansão térmica e baixa condutividade térmica. É quimicamente inerte com a maior parte dos metais, escórias e vidros. O zircão apresenta partículas arredondadas e por isso área superficial mais baixa e menor número de pontos de contacto do que as partículas mais anisométricas. Isto garante boa reprodução dos modelos mas resistência mais baixa devido ao facto de haver poucos pontos de contacto. É dos materiais mais utilizados na fundição de precisão devido à sua grande disponibilidade e estabilidade (Duarte et al. 2004). A sua estrutura química é apresentada na Figura 2.
Figura 2: Estrutura química do zircão (Leal-Ayala et al. 2015)
Trata-se de um mineral natural e por isso pode diferir a nível de impurezas, formas de partícula e tamanhos de grão. A sua origem é maioritariamente pertencente à Austrália, África do Sul e Florida (EUA) (Pirkle and Podmeyer 1993).
elevado teor de zircónia e o mínimo de cianite (Al2SiO5), silimanite (Al2SiO5), corindo (Al2O3),
ilmenite (FeTiO3), rutilo (TiO2) e quartzo (SiO2) (Pirkle and Podmeyer 1993).
O processamento químico ou térmico pode ajudar na purificação do zircão extraído da areia, como a calcinação. Este processo remove a água existente no interior da estrutura cristalina e consome contaminantes orgânicos presentes no mineral (Stratton 1989).
Este mineral tem uma composição teórica de 67% de zircónia, 32% de sílica e entre 0,2% e 4% de háfnio (Leal-Ayala et al. 2015).
A presença de impurezas no zircão fazem com que o início da sua dissociação aconteça para temperaturas mais reduzidas. Isto é particularmente importante para o zircão natural porque contêm normalmente pequenas inclusões de rutilo, magnetite e outros óxidos ou impurezas que dão origem a fusão local. Além disso, deve notar-se que o zircão inclui tanto Hf4+ como Th4+ em solução sólida que também pode diminuir a sua temperatura de decomposição (Kaiser, Lobert, and Telle 2008).
Assim sendo, à medida que se diminui o tamanho de grão (aumento da área superficial), a taxa de dissociação do zircão aumenta. No entanto, é provado que a presença de impurezas tem muito mais influência na taxa de dissociação do que o tamanho de grão (Kaiser, Lobert, and Telle 2008).
Na Tabela 2, apresenta-se a composição química, composição mineral e propriedades físicas de diferentes tipos de areias de zircão.
Tabela 2: Composição química e propriedades físicas da areia de zircão (Pirkle and Podmeyer 1993)
Sílica fundida (amorfa) – SiO2
É obtida através da fusão elétrica do quartzo a temperaturas acima de 2000 °C. É utilizada em fundição de precisão de ligas não reativas porque tem excelente resistência ao choque térmico, elevada pureza, grande consistência de composições químicas, características ferromagnéticas muito baixas, estabilidade a temperaturas elevadas (até 1000 °C), densidade baixa, e baixo coeficiente de expansão térmica (Duarte et al. 2004).
É o principal responsável pela facilidade do abate, uma vez que, após o vazamento, aquando da iniciação da fase de arrefecimento, este começa a sofrer alterações na sua estrutura, dando origem a expansões do mesmo, que se traduzem pelo fissurar do revestimento cerâmico, facilitando o abate.
Alumina – Al2O3
A alumina é mais refratária que a sílica e menos reativa com superligas e ligas de titânio. Por isso, é utilizada principalmente para a fundição de superligas (Prasad 2012).
Este material apresenta uma energia livre de formação muito negativa, no entanto, possui um elevado coeficiente de expansão térmica que pode causar a distorção de fases (B.Dave and Kaila 2014).
Atualmente, já têm vindo a ser desenvolvidas moldações com elevada refratariedade com coríndon, onde se utiliza, por exemplo, um ligante de sílica, adquirindo uma grande eficiência para o vazamento de aços de alta-liga e com temperaturas de vazamento muito elevadas. Assim, será também bastante eficaz no vazamento de peças com formas complexas (Varfolomeev et al. 2015).
A areia de alumina funciona muito bem na primeira camada na perspetiva da reatividade com o metal. Não é aconselhável a sua utilização juntamente com um ligante de sílica no vazamento de peças à base de ferro uma vez que o ferro se combina com alumina e sílica para formar compostos de baixo ponto de fusão e provocar "burnin". Contudo, o seu desempenho para ligas com alto ponto de fusão e para peças de grandes dimensões permite substituir de forma eficaz o zircão (Branscomb 2011).
Ítria – Y2O3
A ítria é o refratário que possui um valor de energia livre de Gibbs mais negativo. A utilização da ítria é relativamente recente devido às dificuldades em conseguir uma barbotina à base de ítria que não gelifique prematuramente. A solução para isso foi usar sílica coloidal como ligante e adição de iões hidróxidos (Pattnaik, Karunakar, and Jha 2012).
No entanto, devem ainda ser feitos grandes esforços para melhorar a estabilidade e longevidade da barbotina, e com isso melhorar a resistência mecânica das carapaças. Em particular a ligação entre as camadas primárias e as de “backup”: a deposição prematura da camada de “backup” no cacho levou à penetração da barbotina de “backup” no “facecoat” (Barrigana 2013).
Além disso, o elevado custo deste material faz com que seja raramente utilizado.
Zircónia – ZrO2
Também conhecida como baddeleyite, a sua elevada temperatura de amolecimento (2008 °C) aliada a uma baixa energia livre de Gibbs (-743 kJ mol-1 a 1900K) colocam a zircónia como um
dos melhores candidatos como cerâmico principal das carapaças. Outra característica interessante da zircónia é a estabilidade da sua condutividade térmica ao longo de uma grande gama de temperaturas (Barrigana 2013).
O potencial da zircónia pura como refratário é no entanto dificultado pelo facto de esta sofrer um conjunto de transformações, desde a sua forma monoclínica à temperatura ambiente, tornando-se tetragonal a 1170ºC e, finalmente cúbica acima dos 2300ºC. A transformação de monoclínica para tetragonal é acompanhada por uma contração volumétrica de cerca de 9% que pode levar à rutura das carapaças cerâmicas. Este comportamento pode ser controlado através da adição (em quantidades que variam entre 5 e 15%) de elementos estabilizadores como a cálcia, a magnésia e a ítria, reduzindo significativamente a variação volumétrica que ocorre durante a transformação monoclínica/tetragonal. Desta forma, é possível usar zircónia parcial ou totalmente estabilizada (Félix 2008).
Cálcia
A cálcia possui uma energia livre de formação e uma temperatura de amolecimento que a tornam um material aliciante para a utilização no fabrico do “facecoat”. No entanto, o facto de ser altamente higroscópica torna-a difícil de utilizar (Félix 2008).
Magnésia
Tal como a cálcia, a magnésia possui uma energia livre de formação e uma temperatura de amolecimento aliciantes. No entanto, apresentam um fraco comportamento ao choque térmico que pode resultar numa destruição da carapaça durante o vazamento (Félix 2008).
A Figura 3 apresenta um gráfico com a expansão linear, em função da temperatura, de refratários normalmente utilizados para “investment casting”.
Figura 3: Expansão linear de refratários frequentemente utilizados em “investment casting” (Prasad 2012)
2.3.1. Ligantes
Como já foi dito, as barbotinas são constituídas por partículas de materiais refratários unidos por um ligante. O ligante, além de garantir a ligação entre as partículas cerâmicas, também deve conferir uma boa resistência mecânica à carapaça. Após a sua sinterização, este deve ser capaz
de suportar o choque térmico e a pressão do metal durante o vazamento (Pattnaik, Karunakar, and Jha 2012).
Partículas coloidais são suspensões em que a fase dispersa é tão pequena (1 a 1000 nm) que as forças de gravidade são desprezáveis sendo as interações entre as partículas dominadas por ligações a curta distância do tipo ligações Van der Walls. Estas partículas, na presença de um líquido, formam um “sol” – dispersão uniforme de partículas coloidais num meio líquido. É esse comportamento que as diferencia de partículas menores, que originam soluções, e de partículas maiores que dão suspensões ou barbotinas por fenómenos de floculação e precipitação. Os “sols” têm a capacidade de produzir um “gel” (formação de uma estrutura tridimensional de partículas coloidais ou poliméricas ligadas entre si) por reação com um catalisador adequado. Esta sequência está ilustrada na Figura 4 (Duarte et al. 2004).
Figura 4: Formação de sílica gel versus precipitação (Duarte et al. 2004)
Sílica Coloidal
O ligante mais utilizado em “investment casting” é a sílica coloidal e consiste numa dispersão de partículas esféricas coloidais de sílica em água. Este ligante é de fácil manuseamento, boa estabilidade química e segurança, e confere um excelente acabamento superficial à peça final. A sua principal desvantagem é o facto de ter base de água que dificulta a sua secagem (Prasad 2012, Barrigana 2013).
As partículas de sílica coloidal têm diâmetro compreendido entre 4 e 40 nm. A sílica é esférica e amorfa (Committee et al. 2008).
Durante a formação do “gel”, as partículas aderem umas às outras devido à formação de ligações de siloxano que as mantêm irreversivelmente juntas. Isto acontece quando a carga negativa é reduzida, por exemplo, pelo aumento do pH, adicionando eletrólitos ou concentrando a sílica através da evaporação da água. Assim, as partículas de sílica entram em contacto e polimerizam (Jones 1993).
Existem duas classes de sílica coloidal que se baseiam no tamanho das partículas (8 nm e 12 nm). A classe de partículas de maiores dimensões é considerada melhor para as primeiras
camadas de cerâmica (facecoat) devido à sua menor área superficial e consequente menor reatividade e maior vida da barbotina (Bundy and Viswanathan 2009).
Silicato de etilo
Outro ligante frequentemente utilizado é o silicato de etilo. Este é um ligante de base alcoólica e por isso seca muito mais rapidamente. Além disso, permite uma sinterização e utilização a temperaturas mais elevadas do que a sílica coloidal. Apesar desta vantagem, as barbotinas à base de silicato de etilo gelificam rapidamente quando expostas a uma atmosfera amoniacal e têm uma fraca força de ligação e estabilidade limitada. Na Tabela 3, comparam-se as propriedades de ambos (Pattnaik, Karunakar, and Jha 2012, Prasad 2012).
Outros ligantes
Vários ligantes foram desenvolvidos para suportarem temperaturas superiores como a alumina coloidal e a zircónia coloidal. Contudo, nenhum destes está ao nível da sílica coloidal no que diz respeito à força de ligação à temperatura ambiente (Prasad 2012).
Tabela 3: Comparação das propriedades do silicato de etilo hidrolisado e da sílica coloidal (Duarte et al. 2004) Silicato de etilo hidrolisado Sílica coloidal
Forma Líquido claro Dispersão coloidal
Teor em SiO2 (% Peso) 28 a 40 15 a 50
Pronto a usar Não (requer hidrólise) Sim
Solvente Álcool Água
Endurecimento
químico Sim Não
Secagem ao ar Rápida Lenta
Resistência mecânica Boa Excelente
Estabilidade da
barbotina Fraca Boa
Qualidade superficial Boa Excelente
Destruição e limpeza Muito fácil Fácil a difícil Sinterização Temp. elevadas Temp. mais baixas
2.3.2. Aditivos Agentes Molhantes
Promovem a molhabilidade do modelo, isto é, garantem que a barbotina adere a toda a superfície do modelo, mesmo às zonas mais complexas. São utilizados em quantidades entre 0,03% e 0,3% em peso do líquido, principalmente nas camadas do facecoat (Prasad 2012).
Antiespumantes
Os agentes molhantes provocam a formação de espuma, por isso têm de ser usados antiespumantes para a eliminar e permitir que as bolhas de ar possam ser eliminadas. Eles são eficazes para concentrações baixas (0,002% a 0,1% em peso do líquido) (Prasad 2012).
Outros constituintes
• Fundente: baixa o ponto de fusão da barbotina e consequentemente a temperatura de sinterização.
• Dispersante/Desfloculante: favorece a dispersão das partículas das barbotinas evitando a sua sedimentação e propiciando uma boa homogeneidade. O ácido carboxílico é um exemplo que funciona como agente desfloculante sem provocar espuma. Este produto torna possível a produção de alto teor de partículas sólidas com elevado deslizamento e, portanto, ideal para desfloculação antes da secagem por pulverização. Uma vez que o produto está no estado líquido, é rapidamente misturado na solução e consegue-se um fácil controlo da viscosidade.
• Espessante: A principal função do espessante é a de melhorar as propriedades reológicas. Com a sua adição nas barbotinas consegue-se evitar escorridos. Como exemplo, o espessante ACRYSOL™ ASE-60 EK é um ácido que, quando dissolvido em água e neutralizado por uma base, cada partícula da solução expande e torna a solução mais límpida e mais viscosa. Como se trata de um produto não celulósico, garante um elevado grau de resistência ao ataque bacteriano e enzimático, resultando numa estabilidade da viscosidade durante bastante tempo (Barrigana 2013)
2.3.3. Coque
Este material constituído por, no mínimo, 98% de carbono tem granulometria 0,5-1,2mm e a sua principal função é aumentar a porosidade das moldações. Como é um produto com uma elevada percentagem de perdas (40-60%), a partir de uma determinada temperatura, cria espaços vazios no interior do revestimento cerâmico, permitindo uma mais eficaz libertação de
mais internas devido ao facto de não conferir qualquer tipo de resistência à moldação (Tamta and Karunakar 2014).
2.3.4. Polímeros
Os polímeros são usados tanto na camada primária (facecoat) como nas restantes camadas (backup) e têm vários benefícios. Os mais utilizados são os polímeros de latex que são dispersões aquosas de partículas de polímero que são estabilizadas para permanecerem em suspensão. É importante que o latex seja compatível com todos os outros constituintes da barbotina. Eles têm os seguintes benefícios (Bundy and Viswanathan 2009):
• Reduzir ou eliminar fraturas na camada primária; Melhorar a adesão à cera;
• Aumentar as propriedades mecânicas da carapaça antes da sinterização; • Melhorar a adesão da areia;
• Permitir a preparação mais rápida das carapaças;
• Melhorar a permeabilidade da carapaça, aumentando a porosidade.
Já se testou a adição de polímero na barbotina a partir da 2ª camada. Para um teor de 5% de polímero observou-se um aumento da porosidade após sinterização. Além disso, verificou-se uma redução da resistência da moldação a verde, mas sem afetar a resistência da mesma após sinterização (Machado 2005).
2.3.5. Preparação das Barbotinas
As composições das barbotinas dependem do refratário e do tipo de ligante utilizado. Normalmente está entre os seguintes valores:
• Sólidos do ligante: 5-10%
• Líquido (do ligante ou adicionado): 15-30% • Farinha refratária: 60-80%
As barbotinas são preparadas acrescentando a farinha refratária ao ligante. Depois a mistura é agitada para impedir a formação de aglomerados e remover bolhas de ar. A barbotina continua a ser constantemente agitada para impedir que a farinha se deposite no fundo do recipiente. Além disso, pode ser adicionado mais líquido para ajustar a viscosidade até ao valor desejado (Prasad 2012).
A preparação da barbotina é um procedimento difícil uma vez que a viscosidade tem de ser bem controlada. Baixos valores de viscosidade provocam a fissura da carapaça durante a sinterização enquanto elevados valores podem fazer com que a moldação não consiga reproduzir todos os detalhes do modelo. Quando se utiliza uma grande quantidade de partículas finas consegue-se
uma superfície com melhor qualidade, no entanto, a permeabilidade decresce e é necessária uma maior quantidade de ligante (Duarte et al. 2004).
Os principais fatores que têm impacto no tempo de estabilização das barbotinas são (Bundy and Viswanathan 2009):
• As técnicas usadas para misturar os constituintes; • A quantidade e tipo de aditivos da barbotina; • Os procedimentos usados para a sua produção.
As barbotinas utilizadas para as primeiras camadas, como contêm maior percentagem de refratário e partículas mais finas, levam mais tempo a estabilizar do que barbotinas para o
backup. Quanto maior a densidade do refratário, menor será esse tempo (Bundy and
Viswanathan 2009).
Existem vários parâmetros que devem ser controlados para garantir a conceção de uma carapaça com as propriedades desejadas (Bundy and Viswanathan 2009):
• Teor de sílica; • pH; • Eletrólitos; • Percentagem de sólidos; • Viscosidade; • Temperatura. 2.3.6. Permeabilidade da Moldação
A moldação deve ser suficientemente permeável para permitir a saída do ar da cavidade da moldação durante o preenchimento do metal líquido. A obtenção de componentes com geometrias complexas, paredes finas e detalhes superficiais depende, para dadas condições de aquecimento do metal e da moldação, da permeabilidade desta. Se a casca for permeável demais, a sua resistência e estabilidade dimensionais poderão ser sacrificadas, porém a baixa permeabilidade pode provocar defeitos como junta fria, gases, ar retido e mal-cheio.
Alguns estudos têm mostrado que a primeira camada é a que exerce maior influência sobre a permeabilidade da carapaça. Outros estudos também concluíram que os principais fatores que afetam a permeabilidade são os refratários utilizados no banho do facecoat e no seu revestimento, a temperatura de sinterização e o tamanho de grão da areia utilizada no backup. Acetato de vinilo, pó de cera, de madeira e grafite aumentam a permeabilidade (Machado 2005). Já foi provado também que a permeabilidade é ligeiramente maior quando se utiliza uma viscosidade menor em banhos secundários (Machado 2005).
2.4 Descerificação
A remoção da cera do interior da moldação é a que causa mais tensões nas paredes da carapaça devido à expansão da cera que possui um coeficiente de expansão térmica superior ao dos refratários. No entanto, como o aquecimento da carapaça é feito de fora para dentro, isto faz com que a camada de parafina (que tem menor ponto de fusão do que a cera) funda mais rapidamente. Assim, a cera pode expandir para esse espaço (Prasad 2012).
Além disso, também se recorre a técnicas de alívio de tensões como, por exemplo, furar zonas estratégicas da carapaça com grande massividade (Pattnaik, Karunakar, and Jha 2012).
O processo mais utilizado para a descerificação é através de boilerclave, representado na Figura 5. No boilerclave, a transferência de calor para a cera dá-se através de vapor de água saturado a elevadas condições de pressão e temperatura (por exemplo, 160oC e 6 bar).
Figura 5: Boilerclave e a sua vista em corte (Pickard 2010) 2.5 Sinterização
A sinterização da carapaça é feita com dois propósitos (Moreira 2014):
• A remoção de humidades e eventuais resíduos (orgânicos e de cera) que possam ainda estar presentes, decorrentes da fase de construção da carapaça;
• O reforço estrutural da carapaça. Este reforço é conseguido através das altas temperaturas requeridas pelo processo de sinterização, que permitem a formação de uma rede de sílica, que liga os pós refratários entre si.
Esta etapa dura cerca de duas horas. Normalmente, o pré-aquecimento da carapaça é feito aquando da sinterização, seguindo, imediatamente, para o vazamento. Outras vezes, o pré-aquecimento é feito numa segunda fase (Prasad 2012).
As moldações cujo ligante é a sílica coloidal são secos ao ar e devem ser queimados a elevadas temperaturas (> 815oC) para a sílica desenvolver uma forte ligação (Committee et al. 2008).
2.6 Preparação da Moldação
Em alguns casos, para diminuir a quantidade de defeitos das peças, recorre-se à fibragem da carapaça antes do pré-aquecimento ou pré-queima. A fibra permite manter o calor numa determinada zona por mais tempo. Desta forma, pode-se diminuir a quantidade de rechupes nas peças, fibrando a zona da gitagem, e possibilita a melhor alimentação de metal a zonas mais estreitas e distantes do sistema de gitagem.
As temperaturas de pré aquecimento variam com a liga e com o tipo de peça a ser vazado. No entanto, para aços, a temperatura é de cerca de 870 a 1095oC (Prasad 2012).
2.7 Fusão e Vazamento
Equipamento de Fusão
Os tipos de fornos mais utilizados no processo de fundição por cera perdida são os fornos de indução. Neste processo, a fusão de metal dá-se por indução eletromagnética em cadinhos cerâmicos. A maioria tem capacidade entre os 10 e os 350 kg. Estes podem ser usados na fusão ao ar, em atmosfera inerte ou no vácuo. São muito usados para a fusão de aços, ferro fundido, cobalto, níquel e por vezes ligas de cobre (Committee et al. 2008).
Estes fornos permitem ainda uma ótima homogeneidade do material uma vez que a energia não é localizada, mas sim distribuída por todo o volume do líquido. Isto acontece porque o campo magnético faz com que o banho se agite.
Antes de cada vazamento, é retirada uma amostra de material que é sujeita a análises para verificação da composição química e eventuais ajustes. Isto permite controlar a composição química de cada ordem de fabrico.
Na ZCP utilizam-se dois métodos de proteção do banho: • SPAL – “Surface Protection Air Liquide” • Atmosfera rica em azoto
O SPAL consiste na utilização de árgon líquido para minimizar a reação do banho com o ar que ocorre normalmente num forno de indução. O árgon é introduzido na superfície do banho em estado líquido (gota-a-gota). Quando entra em contacto com o banho, o árgon vaporiza e cria uma atmosfera protetora envolvente. Assim, consegue-se reduzir os níveis de escória e de oxigénio (Jepson 2002).
Relativamente à utilização de azoto, o objetivo é o mesmo, mas este é introduzido na parte superior do banho no estado gasoso com um distribuidor anelar.
Método de Vazamento
Esta dissertação está apenas focada no vazamento por gravidade ao ar. Este é o método mais simples e o mais utilizado, precisamente pelo seu baixo preço relativamente aos métodos assistido por vácuo ou em atmosfera inerte.
Filtros Cerâmicos
Os filtros cerâmicos, representados na Figura 6, são os mais eficientes para o vazamento de metais. Eles têm uma estrutura com porosidade muito elevada (cerca de 90%) e uma área de superfície muito elevada para captar inclusões (Brown 1994).
Figura 6: Filtros cerâmicos (Brown 1994)
As inclusões mais grosseiras, tais como grãos de areia ou escória ficam presas na face frontal do filtro. Depois de ter sido vazado algum metal, forma-se uma camada de material que filtra as partículas mais finas. À medida que essa camada vai ganhando corpo, o fluxo de metal através do filtro fica limitado (dependendo do tamanho do filtro). Além do efeito de filtração física, existe uma atracão química entre as inclusões e a cerâmica do filtro, fazendo com que pequenas inclusões fiquem presas nas superfícies internas dos poros cerâmicos. Finalmente, o fluxo não turbulento através do filtro reduz a exposição do metal ao ar, limitando a formação da camada de óxidos (Brown 1994).
Arrefecimento
Após o vazamento, os cachos são sujeitos a diferentes condições de arrefecimento. Isto varia consoante a liga e a peça, dependendo das exigências e da qualidade que se pretende dar ao componente final. Os diferentes métodos são:
• Cobertura da bacia com fluxos isotérmicos ou exotérmicos.
• Atmosfera com baixo teor de oxigénio através da combustão de componentes de madeira ou cera no interior de uma tampa.
Os fluxos exotérmicos mantêm o metal que se encontra na bacia de vazamento no estado líquido e à mesma temperatura que o restante metal, evitando assim a perda de calor por radiação. O material entra em combustão devido ao contacto com o metal a elevada temperatura. A sua combustão compensa a perda de calor daquela zona devido à reação exotérmica do composto. Depois, os resíduos da combustão expandem e formam uma camada de isolamento do metal (J 1950).
Os materiais isotérmicos à semelhança dos exotérmicos reagem com o metal líquido e formam uma crosta que o protege e fazem com que a perda de calor seja minimizada (J 1950).
Para se obter uma atmosfera com baixo teor de oxigénio e com propriedades redutoras, colocam-se pedaços de cera ou de madeira perto do cacho (ou em cima da bacia) e depois é colocada uma tampa que isola a atmosfera protetora do exterior. A combustão da madeira ou da cera irá consumir todo o oxigénio (Operhall 1964).
Este procedimento está relacionado com uma patente sobre “Descarbonização na fundição de aços”, que tem o objetivo de melhorar a qualidade superficial e diminuir/eliminar a descarbonização nos componentes fundidos. O procedimento patenteado consiste em colocar material rico em carbono, preferencialmente, na forma de partículas, à volta da moldação. Isto irá prevenir a descarbonização e pitting do fundido, resultando também numa melhor distribuição de grão à superfície. A melhoria é conseguida devido ao arrefecimento mais rápido provocado pelo material introduzido à volta da moldação. O rápido arrefecimento evita o crescimento de grão à superfície e confere propriedades mecânicas uniformes. Nesta patente são sugeridos materiais como grãos de ferro fundido e partículas de grafite, preferencialmente de dimensões reduzidas para garantir o contacto substancial com todas as zonas da carapaça. É também aconselhado que a carapaça seja colocada numa câmara com atmosfera redutora ao mesmo tempo que é rodeada pelo material rico em carbono (Operhall 1964).
2.8 Acabamentos
• Abate da moldação cerâmica: embora durante o arrefecimento da liga, a moldação cerâmica parta e separe do cacho, a grande maioria fica agarrada. Esta é removida por vibração pneumática. Ainda assim, podem ficar resíduos colados ao metal, sendo removidos por grenalhagem grosseira ou mergulhadas numa solução ácida de ataque, que irá dissolver os restantes detritos;
• Corte: a separação das peças do sistema de gitagem é realizada, no caso das ligas de alumínio, magnésio e cobre, recorrendo a serras de fita, já para os aços, ligas de níquel e titânio usam-se discos de corte abrasivos;
• Rebarbagem: após a separação das peças do sistema de gitagem, é necessário eliminar os pequenos excessos de materiais deixados pelo sistema de gitagem;
• Tratamento térmico: se requerido, são realizados diferentes tratamentos térmicos, por forma a conferir às peças as propriedades mecânicas especificadas;
• Inspeção e acabamento: depois de rebarbadas e verificada as suas dimensões, estas sofrem uma grenalhagem fina para dar um acabamento superficial uniforme e visualmente atrativo às peças a enviar para o cliente.
2.9 Interação metal-cerâmica
As diferentes ligas, quando fundidas em moldações refratárias, ficam sujeitas a uma série de reações com a cerâmica que podem modificar a superfície do metal. A interação pode ocorrer devido à aderência dos materiais refratários ao metal ou pela produção de camadas de reação que degradam e reduzem as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão do fundido (Jones 1993).
É preponderante prever esta interação e tentar evitá-la. A qualidade superficial é um parâmetro importante que faz do “investment casting” um processo atrativo para a produção de certos componentes como as pás de turbina para a indústria aeroespacial. Além disso, a interação entre o metal e cerâmica pode também resultar no aparecimento de inclusões cerâmicas nos componentes que afetam seriamente as suas propriedades mecânicas (Jones 1993).
Sabe-se da existência de várias ligas que sofrem uma reação extensa com determinados tipos de refratários. No caso dos aços, os silicatos, por exemplo, reagem com o metal líquido provocando o desgaste do refratário e formam produtos de reação que poderão dar origem a inclusões não metálicas. A interação é o resultado da redução da sílica pelo manganês e carbono do aço. O óxido de manganês promove a formação de fases vítreas com sílica, alumina e outros óxidos. Estas fases vítreas têm pontos de fusão baixos e como tal são incorporadas à superfície do metal (Jones 1993).
A presença de manganês no aço tem um efeito prejudicial sobre refratários de zircónia ou de alumino-silicatos. O manganês reage com o oxigénio da atmosfera formando óxido de manganês. Este óxido reage preferencialmente com refratários ricos em sílica (Jones 1993).
