BRPI0508751B1 - Molde para a fundição de ferro fundido e processo de fabricação de um objeto por fundição - Google Patents

Description

“MOLDE PARA A FUNDIÇÃO DE FERRO FUNDIDO E PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE UM OBJETO POR FUNDIÇÃO” Campo da Invenção [001] A presente invenção refere-se a um molde para a fundição de um metal líquido, do tipo que compreende uma superfície que corresponde à superfície do produto a ser fabricado por fundição e destinada a entrar em contato com o metal líquido. [002] A presente invenção aplica-se, em particular, às instalações de fabricação de tubos por fundição.

Antecedentes da Invenção [003] São conhecidos moldes para a fabricação de tubos de ferro fundido. Esses moldes possuem uma forma geral de cilindro oco em torno de um eixo de rotação e compreendem uma extremidade que corresponde à ponta sem encaixe do tubo, bem como uma extremidade que corresponde à ponta de encaixe do tubo. A superfície interna do molde forma a superfície externa do tubo fabricado. [004] Durante a fabricação de tubos, o molde é acionado em rotação em torno de seu eixo e um metal líquido é fundido sobre a superfície interna do molde. O metal é fundido sucessivamente da extremidade da ponta de encaixe para a extremidade de ponta sem encaixe. [005] Os moldes conhecidos são fabricados em aço com uma liga fraca de cromo, com a finalidade de suportar a temperatura do aço no estado líquido. [006] Em virtude da temperatura elevada do metal líquido e da variação de temperatura do molde durante a fundição sucessiva de diversos tubos, aparecem fissuras na superfície interna do molde. Durante a fundição, o metal líquido penetra nessas fissuras. O metal que fica nessas fissuras impede a extração do tubo do molde e provoca riscos na superfície externa deste último. [007] Quando as fissuras ultrapassam um tamanho pré-determinado, o molde deve ser reparado por usinagem da superfície interna ou por enchimento das fissuras por soldagem. Entretanto, essas operações modificam a superfície interna, de modo que os tubos fabricados, após este tipo de reparação, deixam eventualmente de observar as tolerâncias exigidas. [008] O tempo de vida dos moldes conhecidos é, portanto, limitado. [009] Os moldes de aço conhecido apresentam outra desvantagem. Durante a fundição dos primeiros tubos, o molde de aço se deforma plasticamente de modo considerável. Consequentemente, o molde é fabricado com dimensões que consideram essa deformação inicial. No intuito de levar o molde às dimensões desejadas, diversos moldes, por exemplo seis, são fundidos. Esses tubos não observam as tolerâncias exigidas e são rejeitados. A necessidade de fabricar esses tubos "perdidos” acarreta na redução do rendimento da instalação de fundição.

Descricão Resumida da Invenção [010] A presente invenção tem por objetivo prover um molde para a fundição de metal líquido que tenha um tempo de vida elevado permitindo, ao mesmo tempo, a fundição de peças cujas tolerâncias são baixas. [011] Para esse fim, a presente invenção tem por objeto um molde do tipo precitado, caracterizado por compreender uma porção de evacuação de calor realizada em uma matéria que possui uma condutividade térmica superior a 150 W/mK. [012] De acordo com os modos particulares de realização, a presente invenção compreende uma ou mais das seguintes características: - a matéria possui uma condutividade térmica superior a 300 W/mK; - a matéria possui uma condutividade térmica superior a 325 W/mK; - a porção de evacuação de calor é uma liga à base de cobre, em particular que compreende mais de 50 % em peso de cobre; - a liga à base de cobre compreende cromo, em particular entre 0,25% e 2% em peso; - a liga compreende zircônio, em particular entre 0,05% e 0,25% em peso; - a porção de evacuação de calor forma pelo menos uma parte de uma superfície externa do molde; - a porção de evacuação de calor forma pelo menos uma parte de uma superfície da forma; - a porção de evacuação de calor se estende de modo contínuo entre a superfície da forma e a superfície externa; - o molde compreende um revestimento que forma pelo menos uma parte da superfície da forma, e que se estende da superfície da forma à porção de evacuação de calor; - o revestimento e a porção de evacuação de calor possuem coeficientes de dilatação térmica, tais que a dilatação térmica do revestimento seja superior à dilatação térmica da porção de evacuação de calor sob o efeito do metal fundido; - o revestimento é de uma matéria que possui uma dureza superior à dureza da porção de evacuação de calor, em particular de cromo ou de níquel ou de uma liga à base de cromo e/ou de níquel; - a superfície da forma é de simetria de revolução em torno de um eixo; e - o molde é um molde de um tubo. [013] A presente invenção tem ainda por objeto um processo de fabricação de um objeto por fundição, do tipo que compreende a etapa de fundição do metal líquido em um molde, caracterizado pelo fato do molde ser um molde do tipo definido acima. [014] O processo de acordo com a presente invenção pode compreender as seguintes características: - o metal é um feiro fundido, em particular ferro fundido cinzento ou ferro fundido com grafite esferoidal; e - o processo caracteriza-se ainda por uma etapa de reoozimento do objeto fabricado por fundição.

Descrição Resumida das Figuras [015] A presente invenção será mais bem compreendida com a leitura da descrição a seguir, dada unicamente a título de exemplo, em relação às figuras anexas nas quais: - A Figura 1 é uma vista esquemática de uma instalação de fabricação de tubos de acordo com a presente invenção; - A Figura 2 é uma vista detalhada da instalação da Figura 1, que mostra o molde em maior escala; - A Figura 3 é uma vista em corte parcial do molde de acordo com a presente invenção tomada ao longo da linha lll-lll da Figura 2; e - A Figura 4 representa uma variante do molde da Figura 3.

Descrição Detalhada da Invenção [016] Na Figura 1 está representada uma instalação de fabricação de tubos de ferro fundido de acordo com a presente invenção, designada pela referência geral (2). [017] A instalação (2) compreende um recipiente (4), um dispositivo vertedor (6), um canal de fundição (8), um molde rotativo (10), um dispositivo de resfriamento (12) e um dispositivo de extração (14) de um tubo acabado. A instalação (2) serve para fabricar tubos (16). [018] O recipiente (4) é um cadinho de matéria refratária que contém metal líquido, por exemplo ferro fundido. [019] O dispositivo vertedor (6) é uma balança que possui um volume correspondente à quantidade de metal líquido necessária para um tubo (16). A balança pode ser inclinada entre uma posição de recepção de metal líquido do recipiente e uma posição em que o metal líquido é despejado no canal de fundição (8). [020] O canal de fundição é uma canaleta que conduz do dispositivo vertedor (6) ao molde (10). Dito canal de fundição compreende uma entrada (20) situada nas proximidades do dispositivo (6) e uma saída (22) que se estende no molde (10). O canal (8) é inclinado em relação ao plano horizontal, de tal modo que a saída (22) fique situada abaixo da entrada (20), permitindo, assim, que o ferro fundido líquido escoe por gravidade. [021] O molde rotativo (10), também chamado “concha”, tem uma forma com simetria de revolução, no presente exemplo, geralmente cilíndrica, de eixo X-X, inclinado em relação ao plano horizontal de modo que ele fique paralelo ao canal (8). No texto a seguir, as expressões “axialmente” e “radialmente” serão utilizadas em relação a esse eixo X-X. O molde (10) tem uma superfície interna (24) que é a superfície negativa do tubo (16), bem como uma superfície externa cilíndrica (26) (ver Figura 2). A superfície (26) não entra em contato com o metal líquido durante a fundição. Como indica a Figura 3, a superfície interna (24) é dotada de ranhuras (27) de preparação do metal líquido. O molde (10) compreende uma extremidade com ponta sem encaixe (28), voltada para a entrada (20), e uma extremidade (30) com ponta de encaixe, que está virada do lado oposto da entrada (20). A extremidade com ponta sem encaixe (28) forma a ponta sem encaixe do tubo (16), enquanto a extremidade de ponta de encaixe (30) forma a ponta de encaixe do tubo (16). [022] O molde (10) pode ser acionado em rotação em torno do eixo X-X por um dispositivo de acionamento não representado. Além disso, o molde (10) pode ser acionado em translação ao longo do eixo X-X entre uma posição de início de fundição na qual a saída (22) está diante da extremidade com ponta de encaixe (30), e uma posição de acabamento de fundição, na qual a saída (22) está diante da extremidade com ponta sem encaixe (28). [023] O dispositivo de resfriamento (12) é um crivo de aspersão que está adaptado para projetar um líquido de resfriamento, por exemplo água, sobre a superfície externa (26) do molde (10). Como variante, esse dispositivo (12) pode ser constituído por um sistema de circulação de água de modo conhecido. [024] O dispositivo de extração (14) é apropriado para extrair axialmente o tubo (16) fundido do molde (10). [025] Os dispositivos (6, 12 e 14), o recipiente (4) bem como canal de fundição (8) são conhecidos em si e não estão descritos de modo mais detalhado. [026] O molde (10) de acordo com a presente invenção é inteiramente de CuCrZr que é uma liga à base de cobre. A liga compreende mais de 50% em peso de cobre, de preferência mais de 60% em peso de cobre, e em particular mais de 75% em peso de cobre. [027] No presente caso, o molde é fabricado de uma liga de cobre, de cromo e de zircônio, em particular de acordo com a norma DIN 17666. Uma liga particularmente apropriada compreende 1% em peso de cromo e 0,15% de peso de zircônio, sendo que o restante é constituído por cobre e pelas impurezas inevitáveis. Essa liga possui uma condutividade térmica média a 220°C em 340 W/mK. [028] A liga pode compreender entre 0,25% e 2% em peso de cromo, e de preferência entre 0,5% e 1,5% em peso. [029] A liga pode compreender entre 0,05% e 0,25% em peso de zircônio, e de preferência entre 0,10% e 0,20% em peso. [030] De acordo com a presente invenção, pelo menos uma parte da matéria do molde (10) possui uma condutividade térmica superior a 150 W/mK, em particular superior a 300 W/mK, e mais particularmente ainda superior a 325 W/mK. [031] A fabricação de um tubo (16) por meio da instalação (2) de acordo com a presente invenção é efetuada da maneira indicada a seguir. [032] O ferro fundido líquido, que corresponde à quantidade de ferro fundido necessária para a fabricação do tubo (16), é introduzido no dispositivo vertedor (6) pelo cadinho (4). [033] A seguir, o molde (10) é acionado em rotação em torno do eixo X-X e ele é levado para sua posição de início de fundição. [034] Em seguida, o ferro fundido líquido é despejado a partir do dispositivo (6) no canal (8), escoando ao longo desse canal até ser despejado no molde (10) na extremidade com ponta de encaixe (30). [035] Sucessivamente, o molde (10) é levado para sua posição de fim de fundição. [036] O ferro líquido que se encontra no molde é então pressionado contra a superfície (24) por centrifugação, solidifica-se e forma o tubo (16). [037] Graças à condutividade térmica elevada da matéria do molde (10), o gradiente de temperatura entre a superfície interna (24) e a superfície externa (26) é baixo. Em outras palavras, o calor conferido pelo ferro fundido é evacuado rapidamente da superfície (24) para a superfície (26). Consequentemente, ocorrem poucas tensões térmicas no molde (10), o que reduz ou evita o aparecimento de fissuras. O molde (10) tem, portanto, um tempo de vida elevado. [038] Por exemplo, para o molde (10) de CuCrZr que possui uma espessura de parede de 20mm e aço fundido de 1400°C, a superfície interna (24) atinge uma temperatura de 150°C, ao passo que a superfície externa (26) atinge uma temperatura de 100°C. O gradiente de temperatura é portanto de 50°C. Moldes de aço do estado da técnica conduzem, em condições similares, a um gradiente de temperatura de aproximadamente 580°C. [039] De modo surpreendente, o calor é evacuado da superfície interna (24) com uma rapidez suficiente para que esta última não atinja a temperatura de fusão (aproximadamente 1083°C) da matéria do molde. Deve-se notar que de modo geral a condutividade térmica da matéria do molde é escolhida de modo a ser suficientemente elevada para evitar a fusão do molde na superfície (24). [040] O ferro fundido se solidifica rapidamente no molde, com uma velocidade de solidificação compreendida entre 1,20mm/s e 0,80mm/s. Em virtude da solidificação rápida, o carbono contido no ferro fundido se precipita em forma de FeaC (carboneto de ferro) em uma área em contato com a superfície (24), ao passo que em uma área afastada da superfície (24), o carbono encontra-se essencialmente na forma de grafite. A solidificação rápida conduz a um gradiente elevado de carboneto de ferro - grafite no tubo (16). Durante o recozimento, que transforma o carboneto de ferro em grafite, a superfície externa do tubo (16) é aquecida mais rapidamente que a superfície interna do tubo. Consequentemente, para uma taxa de transformação exigida de carboneto de ferro em grafite, o tubo (16) pode ser recozido a uma temperatura baixa ou durante um tempo reduzido. O molde (10) de acordo com a presente invenção é, portanto, particularmente apropriado para a fundição de objetos de ferro fundido cinzento ou de ferro fundido com grafite esferoidal. [041] Além disso, após a extração de um tubo (16), o molde (10) atinge rapidamente sua temperatura inicial. [042] Assim, os tubos podem ser produzidos em uma velocidade elevada. [043] O molde (10) de acordo com a presente invenção conduz ainda a deformações locais reduzidas da superfície externa do tubo, graças à solidificação rápida. O tubo tem, portanto, um aspecto melhor. [044] Durante a fundição dos primeiros tubos, a deformação plástica do molde (10) de acordo com a presente invenção é baixa. Mesmo os primeiros tubos produzidos respeitam assim as dimensões exigidas e podem ser utilizados. Dessa maneira, a instalação tem um rendimento elevado. [045] A Figura 4 mostra uma variante do molde da Figura 3. No texto a seguir, serão descritas apenas as diferenças em relação ao molde da Figura 3, e os elementos idênticos são indicados pelas mesmas referências. [046] O molde (10) é um molde compósito. Ele compreende uma camada (40) de evacuação do calor externo que forma a superfície externa (26) e uma camada de proteção interna (42) que forma a superfície interna (24) da forma. [047] A camada (40) é fabricada da mesma matéria que o molde (10) descrito acima. [048] A camada (42) é constituída por uma matéria que possui uma dureza superior à dureza da camada (40). Essa camada é, por exemplo, constituída de cromo ou de níquel, ou de uma liga à base desses metais. A camada (42) protege a camada (40) dos riscos que surgem com a extração do tubo (16). [049] Além disso, os coeficientes de dilatação térmica das matérias das camadas (40, 42) são escolhidos de tal modo que a dilatação térmica devida ao aquecimento pelo ferro fundido da camada interna (42) seja superior à dilatação da camada externa (40). Assim, durante a fundição, a camada interna (42) é pressionada contra a camada externa (40), e não se separa dela. [050] De modo geral, pelo menos uma porção do molde que serve para evacuar o calor do ferro fundido da superfície da forma é de uma matéria que possui uma condutividade térmica elevada, tal como a liga à base de cobre. [051] Como variante, a liga do molde (10) ou da porção de evacuação de calor é a base de cobre compreendendo pequenas quantidades de telúrio ou pequenas quantidades de prata e de fósforo. [052] Como variante não representada, o molde (10) compreende uma camada de evacuação térmica inferior a condutividade térmica elevada que forma pelo menos uma parte da superfície interna (24) e uma camada externa de uma matéria diferente, tal como cromo ou níquel ou cromo e níquel para aumentar a dureza ou então cromo e zinco para evitar a formação de tártaro. [053] Embora o molde de acordo com a presente invenção seja particularmente apropriado para a fundição de tubos de metal fundido, ele pode ser utilizado para a fundição de outros objetos fabricados de outros metais.

Claims (15)

1. MOLDE PARA A FUNDIÇÃO DE FERRO FUNDIDO, do tipo que compreende uma superfície da forma (24) que corresponde à superfície do produto (16) a ser fabricada por fundição e destinada a entrar em contato com o metal líquido, o molde compreendendo uma porção (40) de evacuação de calor fabricada em uma matéria que possui uma condutividade térmica superior a 300 W/mK, o molde sendo caracterizado pelo fato de que compreende um revestimento (42) que forma pelo menos uma parte da superfície da forma (24) e que se estende da superfície da forma (24) à porção (40) de evacuação de calor, em que o revestimento (42) é fabricado de uma matéria que possui uma dureza superior à dureza da porção (40) de evacuação de calor, em particular de cromo ou de níquel ou de uma liga à base de cromo e/ou de níquel.

2. MOLDE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a matéria possui uma condutividade térmica superior a 325 W/mK.

3. MOLDE, de acordo com qualquer a reivindicação 1 ou 2 caracterizado pelo fato de que a porção de evacuação de calor é fabricada em uma iíga à base de cobre, em particular compreendendo mais de 50% de cobre.

4. MOLDE, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a liga á base de cobre compreende cromo, em particular entre 0,25% e 2% em peso.

5. MOLDE, de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que a liga compreende zircônio, em particular entre 0,05% e 0,25% em peso,

6. MOLDE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fat ode que a porção de evacuação de calor forma pelo menos uma parte de uma superfície externa (26) do molde.

7. MOLDE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fat ode que a porção de evacuação de calor forma pelo menos uma parte da superfície da forma (24).

8. MOLDE, de acordo com as reivindicações 6 e 7, caracterizado pelo fato de que a porção de evacuação de calor se estende de modo contínuo entre a superfície da forma (24) e a superfície externa (26).

9. MOLDE, de acordo com uma das reivindicações 1 a 8 caracterizado pelo fato de que o revestimento (42) e a porção de evacuação de calor (40) possuem coeficientes de dilatação térmica, tais que a dilatação térmica do revestimento (42) seja superior à dilatação térmica da porção de evacuação de calor (40) sob o efeito do metal fundido.

10. MOLDE, de acordo com uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a superfície da forma (24) é dotada de ranhuras (27) de preparação do metal líquido.

11. MOLDE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que a superfície da forma (24) é de simetria de revolução em torno de um eixo X-X.

12. MOLDE, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que é um molde de um tubo.

13. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE UM OBJETO POR FUNDIÇÃO, caracterizado por compreender a etapa de fundição do metal líquido em um molde, sendo que o molde é um molde (10) conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12.

14. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o metal é ferro fundido, em particular ferro fundido cinzento ou ferro fundido com grafite esferoidal.

15. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma etapa de recozimento do objeto fabricado por fundição.