PT1752239E - Método e instrumento de fundição com remoção do molde - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "MÉTODO E INSTRUMENTO DE FUNDIÇÃO COM REMOÇÃO DO MOLDE"

REFERÊNCIA CRUZADA AO PEDIDO RELACIONADO

Este pedido reivindica a vantagem do Pedido de Provisão dos EUA com o N.° de Série 60/394 713, requisitado a 9 de Julho de 2002.

Descrição A presente invenção está relacionada com a fundição de metais. Mais particularmente, a presente invenção está relacionada com um método e um instrumento para remoção de moldes de fundição de metais.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Nos processos tradicionais de fundição, o metal fundido é derramado para um molde e solidifica, ou congela, através de uma perda de calor no molde. Quando tiver saído calor suficiente do metal de modo a que esteja congelado, o produto final, ou seja, uma fundição, pode suportar o seu próprio peso. A fundição é então retirada do molde.

Os diferentes tipos de moldes do modelo anterior oferecem determinadas vantagens. Por exemplo, os moldes de areia verde são compostos por um agregado, a areia, que é mantida junta através de um aglutinante tal como a mistura de argila e água. Estes moldes podem ser fabricados rapidamente, p.ex., em dez (10) segundos para moldes -2- simples numa fábrica de produção automática de moldes. Para além disso, a areia pode ser reciclada de modo relativamente fácil para outras utilizações.

Outros moldes de areia utilizam frequentemente aglutinantes de base química que possui uma elevada precisão dimensional e elevada dureza. Tais moldes de areia com aglutinante de argila levam mais algum tempo a se fabricar do que os moldes de areia verde, porque terá de existir uma reacção de endurecimento para o aglutinante se tornar efectivo e permitir a formação do molde. Tal como nos moldes com ligação de argila, a areia pode frequentemente ser reciclada, não obstante ser necessário um tratamento para remover a resina.

Para além do fabrico relativamente rápido e económico, os moldes de areia possuem também uma elevada produtividade. Um molde de areia pode ser posto de lado depois de ter sido vazado um molde de metal de modo a permitir que arrefeça e que solidifique, deixando que o outro molde seja vazado. A areia que é usada como um elemento agregador na moldagem da areia é normalmente a silica. Porém, foram utilizados outros minerais para evitar a transição indesejável do quartzo alfa para beta a cerca de 570 graus Celsius (°C) ou 1.058 graus Fahrenheit (°F), que inclui olivina, cromita e zircão. Estes minerais possuem certas desvantagens, em virtude de a olivina ser frequentemente variável na sua química, levando a problemas de controlo uniforme com ligantes químicos. A cromita é normalmente esmagada, criando grãos angulares que criam um mau acabamento da superfície na fundição e a um rápido desgaste do equipamento. O zircão é pesado, aumentando a procura de -3 - equipamento usado para formar e manusear um molde e causando um desgaste rápido do equipamento.

Para além das desvantagens variadas pelos aspectos singulares da silica e dos minerais alternativos, os moldes de areia com argila e ligantes químicos normalmente não permitem o arrefecimento rápido do metal fundido devido à sua condutividade térmica relativamente baixa. 0 arrefecimento rápido do metal fundido é muitas vezes desejável, em virtude de ser conhecido no estado em que com tal arrefecimento as propriedades mecânicas da fundição são melhoradas. Para além disto, o arrefecimento rápido permite a retenção de mais elementos de ligação em solução, introduzindo assim a possibilidade de eliminação do tratamento de solução subsequente, o que poupa tempo e dinheiro. A eliminação do tratamento da solução evita o resfriamento que normalmente se segue, removendo os problemas distorção e a tensão residual na fundição que é causada pelo resfriamento.

Em alternativa são por vezes utilizados moldes de areia, moldes feitos de metal ou moldes semi-permanentes ou moldes com resfriados. Estes moldes de metal são particularmente vantajosos devido à sua relativamente elevada condutividade térmica que permite arrefecer e solidificar rapidamente, levando a propriedades mecânicas vantajosas na fundição. Por exemplo, um processo de fundição em particular conhecido como fundição injectada à pressão e é conhecido por ter uma taxa de solidificação rápida. Uma taxa tão rápida de solidificação é indicada pela presença de finos espaços de braços de dendritas na fundição (EBD) . Tal como é de tipo conhecido, quanto mais rápida a taxa de solidificação, menos será o EBD. Porém, a -4- fundição injectada a pressão permite frequentemente a formação de defeitos na peça de fundição, porque a turbulência da superfície extrema ocorre no metal fundido durante o enchimento do molde.

Para além do mais, todos os moldes feitos de metal possuem uma significativa desvantagem económica. Uma vez que a fundição deve congelar antes de poder ser removido do molde, devem ser usados múltiplos moldes de metal para atingir uma elevada produtividade. A necessidade de múltiplos moldes na fundição permanente de moldes aumenta o custo do equipamento e causa normalmente custos no equipamento que são pelo menos cinco vezes superiores aos que estão associados aos moldes de areia.

Em resultado, é aconselhável desenvolver um processo de fundição e um instrumento associado que possua a vantagem de uma rápida solidificação de moldes de metal, ao mesmo tempo que traz custos baixos, elevada produtividade e possibilidade de incorporação associada aos moldes de areia. 0 CH622726 divulga um método para desfazer os compostos de moldes com ligante de silicato a partir de um molde cheio com fundição em que o molde cheio com a fundição é exposto à acção de uma solução aquosa alcalina para dissolver o ligante e silicato e para separar os grãos do composto do molde. 0 molde cheio com a fundição pode ser submerso na solução aquosa alcalina, ou esta pode ser derramada ou vaporizada sobre aquele. A solução aquosa tem um pH preferível de pelo menos 12. Para este propósito, a solução aquosa pode ser tornada alcalina através de um hidróxido metal alcalino ou com amoníaco. 0 referido método facilita a dissolução do composto de fundição com ligante -5- de silicato.

BREVE RESUMO DA INVENÇÃO

De acordo com a presente invenção é fornecido um processo para a fundição de metais nos termos da reivindicação 1.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A invenção pode tomar a forma fisica em certas partes e certos arranjos de partes ou certos passos do processo, uma forma de realização preferida que será descrita detalhadamente nesta especificação e ilustrada nos desenhos em anexo, que formam parte integrante do presente: FIG. 1 é um fluxograma dos passos associados com uma forma de realização da presente invenção; FIG. 2 é uma visualização de perfil esquemática de um plano de uma outra forma de realização da presente invenção; FIG. 3 é uma visualização de perfil esquemática de um plano de uma outra forma de realização da presente invenção; FIG. 4 é uma visualização de perfil de um espécimen de teste tratado de acordo com um método de tipo anterior; FIG. 5 é uma representação gráfica de uma curva de arrefecimento do espécimen de teste da FIG. 4, a ilustrar uma curva de arrefecimento de tipo anterior; 25 FIG. 6 é uma visualização de perfil do espécimen de teste de acordo com uma outra forma de realização da presente invenção; -6- FIG. 7 é uma representação gráfica de uma curva de arrefecimento do espécimen de teste da FIG. 6, a ilustrar uma curva de arrefecimento da presente invenção; e, FIG. 8 é uma representação esquemática do plano de outra forma de realização da presente invenção;

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Fazendo agora referência aos desenhos, sendo que a sua exposição tem como objectivo a ilustração da forma de realização preferida da invenção e não com o objectivo de limitar a mesma, a FIG. 1 ilustra os passos do processo da invenção. Deve ser observado que a invenção é adequada à fundição de qualquer metal, incluindo ligas não ferrosas com base em magnésio, alumínio e cobre, bem como ligas ferrosas e ligas de elevada temperatura, tais como ligas de base a níquel e similares. Primeiro é formado um molde, passo 10. 0 molde é composto por um agregado 12 e um ligante 14. 0 agregado 12 inclui um material que possui uma capacidade térmica mínima e/ou condutividade térmica mínima para reduzir o calor que é extraído do metal fundido. Ao reduzir o calor que é extraído, o metal fundido não solidifica prematuramente e flui assim suavemente para todas as porções dos moldes grandes e nas áreas estreitas. 0 agregado 12 pode também possuir um baixo coeficiente de expansão térmica e não possuir qualquer alteração de fase, permitindo a utilização do molde em temperaturas elevadas ao mesmo tempo que mantém uma elevada precisão dimensional. 0 agregado 12 pode ser constituído por aproximadamente partículas esféricas, que comunicam um bom -7 - acabamento de superfície à fundição e minimiza o desgaste do equipamento. 0 tamanho das partículas deve ser o mais fino possível para permitir a criação de um bom acabamento da superfície na fundição, mas o tamanho pode ser aumentado se o molde for permeável aos gases de ventilação.

Um material exemplar que pode ser usado para o agregado 12 é a areia sílica. Tal como anteriormente descrito, a areia sílica pode possuir algumas desvantagens, mas possui muitas características desejáveis como um agregado 12, incluindo uma forma suave das partículas, tamanho pequeno da partícula, baixo custo e boas propriedades térmicas até à sua temperatura de transição quartzo alfa/beta. 0 agregado 12 é ligado através de um ligante 14 que é solúvel. 0 ligante 14 pode ser um material inorgânico que vai buscar pouco ou nenhum hidrogénio, evitando o detrimento pela exposição do metal fundido ao hidrogénio. Em consequência, o ligante pode não conter água ou hidrocarbonetos. Uma tal ausência de água ou de hidrocarbonetos permite também que o molde seque a elevadas temperaturas ou que seja aquecido até à temperatura de fundição do metal, bem acima do ponto de ebulição da água. 0 ligante 14 pode também possuir uma baixa evolução de gás quando o metal está fundido, reduzindo a necessidade de um molde ou de núcleos de moldes que são permeáveis. Evitar um molde permeável permite a utilização de partículas de tamanho mais fino para o agregado 12, o que é vantajoso, conforme descrito acima.

Um ligante 14 exemplar que possui as características descritas tem por base o vidro fosfático, um ligante que é de tipo conhecido. 0 vidro fosfático é um -8- amorfo, material solúvel na água que inclui óxido fosfórico, P2O5, como o principal constituinte com outros compostos tais como alumina e óxido de magnésio ou de sódio e óxido de cálcio. Outros ligantes 14 exemplares incluem silicatos inorgânicos, tais como o silicato de sódio, sulfatos de magnésio e outros sais e boratos. Outros ligantes 14 exemplares incluem os sistemas em que um ligante orgânico, tal como o uretano, é adicionado a um conhecido ligante inorgânico e o ligante orgânico está ao alcance de cerca de 1 percentagem em peso (% p/p) a cerca de 51 % p/p do sistema do ligante.

Uma vez o molde formado, no passo 10, é colocado no lugar de modo a que possa ser preenchido com um molde fundido, no passo 16. Por exemplo, o molde pode ser mantido acima do chão de uma fundição tal como é conhecido. O metal fundido é derramado no molde, no passo 18. O molde pode ser concebido para permitir que o metal fundido flua de acordo com a gravidade, conhecido como vazamento por gravidade.

Após vazar o metal no molde, no passo 18, o molde fica sujeito à acção de um solvente, tal como por vaporização, no passo 20. Tal como mencionado, o ligante 14 é solúvel. Deste modo o solvente dissolve o ligante e deste modo leva a que o molde se decomponha 22. À medida que o molde se decompõe 22, a fundição é exposta ao solvente, que casa o seu arrefecimento rápido e solidificação 24. A fundição é assim separada do molde e é ao mesmo tempo arrefecida de um modo rápido, possuindo assim propriedades mecânicas vantajosas. Além disso, a entrega de um solvente de um modo como a vaporização pode ter um efeito de arrefecimento zonal forte no metal fundido, a encorajar toda a fundição a solidificar de forma progressiva, -9- facilitando deste modo a alimentação e a estabilidade da fundição. 5

Um solvente exemplar é a água. A água é ambientalmente aceitável e possui uma elevada capacidade de calor e de calor latente de evaporação, permitindo que absorva uma quantidade significativa de calor antes de evaporar. Assim pode fornecer um óptimo efeito de arrefecimento para permitir uma rápida solidificação do metal fundido.

Outros solventes podem incluir líquidos ou gases que decompõem o ligante 22 e arrefecem o metal fundido 24. Por exemplo, agentes conhecidos de resfriamento podem ser usados com os ligantes solúveis adequados. Para além disso um grão de areia pode ser arrastado para o fluído de arrefecimento (líquido ou gás) e usado para decompor o molde 22 por abrasão. Ao mesmo tempo que o molde está a ser levado pelo fluído. 0 grão de areia pode também servir um segundo propósito, nomeadamente, permitir que o metal fundido seja martelado pelo grão à medida que arrefece 24, produzindo outras propriedades vantajosas da superfície. À medida que o molde se decompõe 22 quando é vaporizado com o solvente 20, pelo menos alguns dos constituintes do molde podem ser reivindicados, passo 26. O agregado pode ser recolhido 28 para secagem e reutilização. Para além disso, o solvente pode ser recolhido 30, filtrado e fazer nova circulação para utilização futura. Em alguns sistemas, pode também ser possível recuperar o ligante bem como através de um sistema de recuperação de tipos conhecido.

Olhando agora para a FIG. 2, é dada uma ilustração esquemática do instrumento envolvido no passo 20 (em - 10- referência à FIG. 1) da sujeição do molde ao solvente. Foi utilizada uma matriz ou uma concha 32 para vazar o metal fundido 33 na cavidade do molde 34 que é definido por um molde 36 do agregado e da composição do ligante acima descritos. Um ascensor 38 é a última porção a ser fundida. Um bocal de vaporização 40 direcciona um jacto de solvente A, tal como água, no molde 36. 0 jacto A pode ser dado em qualquer configuração adequada a partir de um fluxo estreito para uma ventoinha abrangente e pode ser um fluxo estável ou um fluxo pulsante, conforme ditado pela aplicação em particular. 0 fornecimento de solvente, ou seja, a vaporização, pode começar a ser feito pela base do molde 36. 0 molde 36 é baixado de forma a permitir que o bocal 40 forneça o solvente de modo progressivo em porções intactas do molde 36 de modo a que o molde 36 se decomponha totalmente. Em alternativa, o molde 36 pode manter-se estacionário e o bocal 40 pode avançar de modo a progressivamente fornecer um jacto de solvente A para decompor pelo menos parte do molde 36. De modo a permitir que a circunferência total do molde 36 entre em contacto como o jacto A para uma rápida decomposição, o molde 36 pode ser rodado e o bocal de vaporização 40 pode ser movido à vota do molde 36. A taxa e a pressão do jacto A fazem parte de um conjunto que é suficientemente elevado para decompor o molde 36, mas ainda baixo o suficiente para que o solvente se filtre através do molde 36 de modo a que o solvente filtrado chegue ao metal fundido 33 antes da força total do jacto A. Por exemplo, pode ser vantajoso um elevado volume, baixa pressão de fornecimento num alcance de cerca de 0,5 a 50 litros por segundo, lps (10 a 100 galões por minuto, - 11 - gpm) a uma pressão que tem um alcance de 0,03 a 70 bar (0,5 a cerca de 1.000 libras por polegada quadrada, psi). Deste modo, o solvente filtrado causa a formação de uma camada fina relativamente sólida no metal fundido 33 antes de o metal 33 entrar em contacto com a força do jacto A, evitando assim a distorção do metal 33 ou a explosão pelo contacto excessivamente directo do solvente com o metal fundido 33. A adição de surfactante, de tipo conhecido, ao solvente no jacto A ou à fórmula do ligante pode melhorar a filtragem do solvente através do molde 36. Além disso, pelo menos algum do calor que absorvido do metal fundido 33 pelo molde 36 pode aumentar a temperatura do solvente à medida que o solvente se filtra através do molde 36, aumentando assim a energia do solvente e causando a remoção do molde 36 mais rapidamente.

Uma consideração adicional para a taxa e a pressão de fornecimento do jacto A é o contacto com o metal fundido 33 quando o molde 36 estiver decomposto. A taxa e a pressão do jacto A deve ser baixa o suficiente para evita danos na fundição 33, mas deve ser suficientemente elevada para ultrapassar a formação do bloqueio do vapor. Forma-se uma camada de vapor pela evaporação do solvente que se filtrou através do molde 36 para entrar em contacto com o metal 33 na formação da camada fina na fundição 33. A camada de vapor reduz a transferência de calor no metal fundido 33 e é prejudicial ao arrefecimento rápido que é necessário para obter as propriedades desejáveis e os efeitos acima descritos. Assim, é vantajoso ajustar o jacto A para ultrapassar o bloqueio do vapor. O controlo do jacto A pode ser exercido em pelo menos dois modos. A taxa e a pressão exercida pode ser - 12- definida de modo a atingir todos os parâmetros acima, ou duas definições em separado podem ser utilizadas. Se forem usadas duas definições em separado, uma definição pode ser estabelecida para a decomposição do molde 36 e uma definição separada e reduzida pode ser temporizada para substituir a definição de decomposição quando o Jacto A esteja quase a entrar em contacto com o metal fundido 33. Claro que o modo em que o jacto A é fornecido, ou seja, sistema estreito, ventoinha larga, fluxo estável, pulso intermitente, etc., irá provavelmente afectar as definições de taxa e de pressão do jacto A em conformidade. A solidificação da fundição 33 começando pela sua base e avançando para o seu topo permite que o ascensor 38 se mantenha num estado de fundido durante o máximo período de tempo para que possa continuar a alimentar a fundição 33. Ao alimentar a fundição 33 durante um grande período de tempo, os vazios criados pelo encolhimento do metal 33 com o arrefecimento, são minimizados. A solidificação a partir da base da fundição 33 até ao topo permite também que ocorram alterações de comprimento e longitudinais antes de a solidificação estar completa, assim a eliminação de quaisquer formações significativas de tensão interna que ocorre frequentemente no resfriamento. É importante notar que o bocal único 40 não se limita a uma direcção base ao topo da vaporização tal como descrito acima. Consoante a aplicação, pode ser desejável vaporizar o jacto A a partir do topo do molde 36 até ao fundo a partir de um ponto do meio até uma ponta, ou num padrão similar.

Com referência à FIG. 3, a aplicação do solvente não está limitada a uma direcção única do bocal. Por -13- exemplo, dois ou mais bocais 42, 44, 46, 48 e 50 podem estar presentes, removendo o molde 36 de direcções múltiplas. Cada um dos bocais 42, 44, 46, 48 e 50 pode vaporizar um jacto B, C, D, E e F no molde 36. Deste modo , o molde 36 pode ser decomposto mais rapidamente e de forma uniforme, se desejado numa aplicação em particular. Qualquer número de bocais pode existir, um maior o número de bocais pode ser vantajoso para moldes 36 grandes e complexos ou poucos bocais podem oferecer uma óptima cobertura para outros moldes 36. Tal como na FIG. 2, o molde 36 pode ser rodado e movido na vertical para permitir uma distribuição completa dos jactos B, C, D, E e F, ou os bocais 42, 44, 46, 48 e 50 podem ser movidos ao mesmo tempo que o molde 36 e a fundição 33 mantêm-se estacionários.

Além disso, quando os bocais múltiplos 42, 44, 46, 48 e 50 são usados, pode ser vantajoso temporizar a função dos bocais 42, 44, 46, 48 e 50 para se complementarem uns aos outros. Por exemplo, o fundo do bocal pode ser encaixado, de modo a que ao vaporizar o jacto F no fundo do molde 36. 0 bocal do fundo 50 pode ser desligado e os bocais laterais 44 e 48 podem ser encaixados aos jactos de vaporização C e E no molde 36, e assim sucessivamente. Tal temporização coordenada de bocais múltiplos podem optimizar a decomposição do molde 36 e/ou a direcção do arrefecimento do metal fundido 33 para fornecer as caracteristicas desejadas de fundição 33.

Com referência novamente à FIG. 2, o bocal 40 pode ser montado numa câmara 80, o que permite um movimento relativo entre o bocal e o molde 36.Também, um controlo 82 pode ser funcionalmente associado com o bocal 40 para regular a vaporização do solvente através do bocal. Uma - 14- bomba 84 pode ser utilizada para alimentar o solvente a partir de um reservatório 86 através de uma conduta 88. A conduta 88 pode ser flexivel para permitir o movimento da câmara 80 em relaçao ao reservatório 86. Com referência agora novamente à FIG. 3, pode ser utilizado um regulador 100 para actuar de forma selectiva nos diversos bicais 42— 50 numa sequência ou ordem desejadas.

Para ilustrar a concepção e o efeito do processo e instrumento da presente invenção, é feita referência aos seguintes exemplos. Deve ser entendido que a presente invenção não se limita a exemplos e podem haver diversas alterações e modificações na invenção sem abandonar o espirito e o âmbito que lhe subjaz. Apesar de os seguintes exemplos serem descritos com referência a ligas de alumínio, tal como mencionado acima, a invenção é adequada para a fundição de uma ampla variedade de metais e ligamentos.

EXEMPLOS

Exemplo - Tipo de Arrefecimento Anterior A FIG. 4 é uma visualização de perfil do primeiro espécimen de fundição 52. 0 primeiro espécimen 52 foi o alumínio 6061 e incluiu um ascensor 54 em que um termopar foi colocado no ponto G. 0 primeiro espécimen 52 foi formado pelo aquecimento do alumínio a uma temperatura de cerca de 720 °C (1.328 °F ) numa matriz aquecida a electricidade. 0 alumínio foi vazado para um molde alimentado por gravidade que foi previamente aquecido a cerca de 177 0 C (350 °F) e era composto de um agregado de -15- areia de sílica tendo um tamanho médio do grão de cerca de 150 micrometros (Rm) e um ligante à base de vidro fosfático. A areia era areia Wedron 505 e o ligante foi obtido em MA International de Chicago, Illinois, que vende o ligante sob a designação comercial Cordis #4615. O ligante tinha aproximadamente 1% do peso do molde. Aproximadamente 2,99 quilogramas, kg (6,6 libras, lbs) de areia Wedron 505 foi misturada com 29,9 gramas, g (0, 066 lbs) de ligante Cordis #4615. A mistura foi efectuada por um misturador de mão eléctrico e o molde foi cozido durante 30 minutos a cerca de 149° C (300 °F) . O espécimen 52 foi vazado dentro de 10 segundos após a remoção da matriz do calor. O diâmetro da secção do meio do primeiro espécimen 52 foi de aproximadamente 20 milímetros (mm) e o comprimento do espécimen 52 foi de cerca de 120 mm. Durante o vazamento, o molde foi mantido a uma temperatura de 65°C (150 °F) . final do

Após a fundição, o primeiro espécimen 52 foi deixado a arrefecer à temperatura ambiente de acordo com o tipo anterior e a curva de arrefecimento mostrada na FIG. 5 foi criada pelo termopar no ponto G (em referência à FIG. 4) . A curva de arrefecimento Gcc inclui uma temperatura de vazamento H de cerca de 720 °C (1.328 °F) e uma temperatura de solidificação ou de congelamento I de cerca de 650 °C (1.200 °F) . À temperatura de arrefecimento I atinge-se um cenário de prisão térmica J. Quando o cenário de prisão térmica J terminou, o primeiro espécimen de fundição 52 foi suficientemente arrefecido para permitir que seja removido do seu molde. O restante da curva K representa o arrefecimento final do espécimen 52. O tempo de - 16- solidificação L foi apenas de pouco mais de três minutos. Uma curva de arrefecimento MCc da presente invenção, a ser descrita no Exemplo 2 abaixo, é apenas mostrado para referência.

Exemplo 2 Forma de realização Exemplificativa da Presente Invenção A FIG. 6 é uma visualização lateral de um segundo espécimen de fundição. 56. 0 segundo espécimen 56 foi o alumínio 6061 e incluiu um ascensor 58 em que um termopar foi colocado no ponto Μ. O segundo espécimen incluiu também uma secção média superior 60, uma secção média inferior 62 e um fundo 64. Os termopares foram colocados nos pontos N, O e P, na secção média superior 60, na secção média inferior 62 e no fundo 64 do segundo espécimen 56, respectivamente. 0 Segundo espécimen 56 foi formado pelo aquecimento do alumínio à temperatura de cerca de 720 °C (1.328 °F) numa matriz aquecida a electricidade. O alumínio foi vazado para um molde alimentado por gravidade que foi previamente aquecido a cerca de 177 ° C (350 °F) e era composto de um agregado de areia de sílica tendo um tamanho médio do grão de cerca de 150 micrometros (Rm) e um ligante à base de vidro fosfático, tal como no primeiro exemplo. 0 espécimen 56 foi vazado dentro de 10 segundos após a remoção da matriz do calor. 0 tempo de enchimento do molde foi de cerca de 3 segundos. 0 diâmetro da secção do meio do primeiro espécimen 56 foi de aproximadamente 20 milímetros (mm) e o comprimento do espécimen 56 foi de cerca de 120 mm. O molde, durante o vazamento, foi mantido a uma - 17- temperatura de cerca de 65°C (150 °F).

Imediatamente após o vazamento do metal fundido, ou seja, dentro dos 10 segundos após o enchimento do molde, 0,5 litros por segundo de água foi direccionada para a base do molde através de uma jacto único de ventoinha horizontal. Água de elevado volume e baixa pressão foi usada para remover o molde. Especificamente, foi fornecida água a uma pressão de cerca de 70 bar (1.000 psi), por exemplo, por um vaporizador de água de 5 quilowatts (kW) ou 5 cavalos-vapor (cv). Era água da mangueira ou da torneira à temperatura ambiente e foi vaporizada num padrão de vaporização de ventoinha plana larga o suficiente para abranger a largura do molde. As dimensões do jacto de água ao ponto em que atinge o molde eram de 4 mm por 65 mm. O jacto foi progressivamente aumentado durante um período de aproximadamente 45 segundo até ao topo do molde, para que o molde seja lavado. A água, ou outro fluído, pode ser vaporizado a pressões e taxas variáveis. Um alcance que provou ser satisfatório para a fundição do Exemplo 2 abrange desde um mínimo de cerca de 4 litros (1 galão) a cerca de 3 bar (40 psi) até cerca de 11 litros (3 galões) a cerca de 100 bar (1.500 psi).

Deve ser também avaliado que a fundição pode ser ainda mais arrefecida após o molde ser removido ao continuar a vaporizar a fundição com um fluído de arrefecimento. A humidade do ambiente não aparece significar muito na remoção do molde. Porém, manter uma elevada humidade e pré-humidificação do molde pode acelerar o processo de remoção. A FIG. 7 mostra as curvas de arrefecimento criadas - 18- pelos termopares colocados nos pontos Μ, N , O e P no segundo espécimen 56 (em referência à FIG. 6) . A curva de arrefecimento no ponto M no ascensor 58 é designada Mcc por enquanto que a curva no ponto N na secção média superior 60 é designada deNcc a curva no ponto O na secção média inferior 62 é designada e Ncc e a curva no ponto P no fundo 64 do espécimen 56 é designada Pcc. Todas as curvas MCC/ NCC' Occ e Pcc possuem uma má temperatura entre cerca de 650 °C (1.200 °F) e apenas um pouco mais de 700 °C (1.300 °F) . Tal como no exemplo anterior, a má temperatura Q no ascensor 58 está acima dos 700 °C (1.300 °F) . Os cenários de prisão térmica R para as curvas de arrefecimento MCC/ NCCf °cc e pcc estavam a ou ligeiramente abaixo de 650 °C (1.200 °F) , tal como no exemplo anterior. No entanto, os cenários de prisão térmica R terminaram relativamente rápido, com um arrefecimento final S rapidamente a passar pela temperatura solidus T de 582 °C (1.080 °F) e até à temperatura ambiente numa extremamente pequena quantidade de tempo U, um tempo de cerca de um minuto. É importante anotar o tempo de solidificação, ou seja, o tempo em que cada cenário de prisão térmica R terminou, variado com o espécimen 56 de acordo com a ordem de arrefecimento. O cenário de prisão térmica R para a curva de arrefecimento no ponto P, a primeira área a ser arrefecida, terminou em cerca de 30 segundos. O cenário de prisão térmica R para a curva de arrefecimento no ponto O, a segunda área a ser arrefecida, terminou em cerca de 40 segundos. O cenário de prisão térmica R para a curva de arrefecimento no ponto N, a terceira área a ser arrefecida, terminou em cerca de 45 segundos. Finalmente, o cenário de - 19- prisão térmica R para a curva de arrefecimento no ponto M, a terceira área a ser arrefecida, terminou em V, num tempo de cerca de 53 segundos.

Tal como mostrado pelo modo dos exemplos acima, o tempo de solidificação L (em referência à Fig. 5) é de cerca de três minutos, enquanto que o tempo comparável de solidificação da invenção presente V (em referência à FIG. 7) está abaixo de um minuto. Também, o tempo necessário para arrefecer completamente a fundição é drasticamente reduzido, de um pouco mais de uma hora no tipo anterior da FIG. 5 para cerca de um minuto para a presente invenção, como é mostrada na FIG. 7 em U. A taxa de arrefecimento é estimada como sendo na ordem dos 30 aos 50° C por segundo (60 a 100 °F por segundo) na porção sólida da fundição.

Além disso, o EBD do primeiro espécimen 52 foi medido e verificou-se ser de cerca de aproximadamente 70 Rm, enquanto que o EBD do segundo espécimen 56 era de cerca de 20 Rm. Tal como notado acima, quanto mais rápida a taxa de solidificação, menos será o EBD. O Segundo espécimen 56 da presente invenção possui um EBD que +e significativamente menor do que o espécimen de tipo anterior 52 e é igual ou menor ao que é encontrado nos processos de fundição arrefecida rápida do tipo anterior, tal como a fundição injectada à pressão. No entanto, porque o molde pode ser alimentado por gravidade, os problemas associados com a turbulência induzidos no molde no metal fundido na fundição injectada à pressão são evitados. O tamanho do grão da fundição de aluminio 6061 de acordo com a presente invenção foi verificado ser de cerca de 45 Rm sem qualquer adição de refinador de grão. Este é considerado como um tamanho de grão fino, permitindo que a -20- fundição resista à fatiga melhor do que na fundição do tipo anterior.

Enquanto que a liga de aluminio batido 6061 foi discutida nos exemplos aqui presentes, o processo da presente invenção pode também ser adequado para outras ligas batidas, em particular as ligas de aluminio da série 7000 que normalmente possuem taxas de congelamento muito longas. Taxas de solidificação rápidas de acordo com a presente invenção permitiriam a fundição destas ligas de longas taxas de congelamento . Devido a taxas de resfriamento, na ordem dos 30° aos 50 °C por segundo (60 a 100 °F por segundo), a presente invenção poderá reduzir ou eliminar a solução ou prolongar os tempos de tratamento, fornecendo assim poupança de custos. O processo pode também ser útil nas ligas de aluminio da série 2000, bem como nas ligas de fundição de alumínio barato tais como as séries 319 e 333.

Exemplo 3 Outra Forma de realização Exemplificativa da Presente Invenção

Em referência agora à FIG. 8, ainda uma outra forma de realização da presente invenção que compreende um molde 120 que contém metal fundido 122. O molde pode ser mantido numa estrutura 130 que é feita, por exemplo, de uma pluralidade de barras de modo a que o solvente possa penetrar a estrutura e friccionar ou dissolver o material do molde 120 e de modo a que as partículas friccionadas do molde possam cair para fora da estrutura. Nesta forma de realização, o molde 120 pode ser enchido tal como nas forma de realização das FIGS. 2 e 3 através de enchimento por -21 - gravidade bem como a partir de uma matriz ou concha, ou de qualquer outro modo convencional. Nesta forma de realização, o molde é movido para baixo em direcção ao primeiro conjunto de barras de vaporização pela seta 134. Em alternativa, o conjunto de barras de vaporização pode ser transladado para cima tal com é ilustrado pela seta 136. Além disso, ainda que não mostrado, o molde pode também ser rodado e transladado, se assim for pretendido, por meios convencionais.

0 mecanismo de vaporização de acordo com a presente invenção compreende uma primeira barra de vaporização 140 que pode ter montada uma pluralidade de bocais de vaporização 142 mantidos numa câmara comum 144. A ilustração na FIG. 8 mostra seis bocais de vaporização 142. Claro que pode ser usado qualquer outro número adequado de bocais. Estes podem ser espaçados uns dos outros em espaços q partir de qualquer lado a partir de 34 de polegada a 1 polegada (0,64 até 2,54 cm). Espaçada a partir da primeira barra 140 está uma segunda barra de vaporização 150 que também pode compreender uma pluralidade de bocais de vaporização 152 mantida numa segunda câmara comum 154. A segunda câmara pode ser espaçada da primeira câmara em qualquer lado a partir de 34 de polegada até 6 polegadas (0,64 a 15,2 cm) através de elementos de espaçamento convencionais adequados 156. Espaçada a partir da segunda barra 150 está uma terceira barra de vaporização 160 que também pode compreender uma pluralidade de bocais de vaporização 162 mantida numa câmara comum 164. 0 espaçamento dos bocais dos de vaporização nas segunda e terceira barras de vaporização pode ter aproximadamente a mesma distância tal como definido na ligação com a primeira -22- barra de vaporização, ou ter distâncias diferentes. Também uma terceira barra de vaporização pode estar espaçada da segunda barra de vaporização aproximadamente à mesma distância em que estão a primeira e as segunda barras estão espaçadas uma da outra, ou qualquer outra distância pretendida.

Para fornecer fluido na primeira barra de vaporização 140 está o primeiro tubo de fornecimento 170 que é alimentado por uma primeira fonte 172. 0 fluido pode ser, por exemplo, água quente a cerca de 150 °C (65,6 °F) a uma taxa de cerca de 8-10 galões por minuto (30,3 a 37,9 litros por minuto) . Claro que deve ser reconhecido que outros tipos de fluidos a outras taxas e temperaturas podem também ser utilizados. Na forma de realização ilustrada, a segunda barra de vaporização vaporiza água à temperatura ambiente a uma taxa algures a partir dos 20 aos 30 galões por minuto (75,8 a 113,6 litros por minuto) à medida que é alimentada por um segundo tubo de fornecimento 174 a partir de um segundo fornecimento de fluido 176. A terceira barra de vaporização vaporiza água à temperatura ambiente a uma taxa algures a partir dos 10 aos 15 galões por minuto (37,9 a 56,8 litros por minuto) à medida que é alimentada por um terceiro tubo de fornecimento 182. Enquanto que o fluido indicado para todas as três barras é água, é aparente que diferentes tipos de fluidos possam ser utilizados para variadas barras de vaporização se tal for pretendido. Além disso, os fluidos podem ser vaporizados também a diferentes temperaturas.

De modo a obter diferentes taxas de vaporização, ou seja, algures dos 8 galões aos 30 galões (30 a 113,6 litros por minuto) que são vaporizados pelas várias barras de -23- vaporização, ou o volume do fluxo através dos bocais de vaporização por si podem ser adequadamente ajustados como é de tipo bem conhecido. Em alternativa, as bombas convencionais (não mostradas) que comunicam com as várias linhas de fornecimento de fluidos podem ser adequadamente requladas para atinqir as desejadas taxas de fluxo. As taxas de vaporização podem ser alteradas para as várias espessuras de fundição, os vários ligantes usados e serão dependentes dos módulos de fundição e da composição das ligas de solidificação. A taxa de alimentação do molde à medida que é movido para baixo em direcção ao primeiro conjunto de barras de vaporização pode ser na ordem de 0,01 a 1 polegada por segundo (0,025 a 2,54 centímetros por segundo) como pode ser desejado pela espessura da fundição, bem como o tipo particular de metal a ser fundido e a específica composição do molde.

Continuando com a referência à FIG. 8, as barras de vaporização adicionais podem ser também aplicadas, localizadas por debaixo do primeiro conjunto de barras de vaporização. Ilustrado está uma quarta barra de vaporização 190 que compreende uma pluralidade de bocais de vaporização 192 montada numa câmara comum 194. Espaçada da quarta barra de vaporização pode estar uma quinta barra de vaporização 200 que é similarmente fornecida com um ou mais bocais de vaporização 202 mantida numa câmara comum 204. Enquanto que no desenho é ilustrada a mesma quantidade de bocais de vaporização (6), é evidente que qualquer número desejado de bocais pode ser utilizado em qualquer uma das várias barras de vaporização 140, 150, 160, 290 e 200 aqui discutidas. Estes bocais de vaporização são alimentados por uma quarta -24- linha de fornecimento 210 ligada a uma quarta fonte 212. A fonte pode ser água à temperatura ambiente.

Os bocais de vaporização para todas as várias de vaporização mencionadas daqui em diante podem cada um deles ter uma capacidade de cerca de ^ galões por minuto (1,9 litros por minuto) e possuem um padrão de vaporização de ventoinha que emite o fluido a ser vaporizado num padrão de cerca de 30°. 0 metal vazado no espécimen de teste do instrumento ilustrado na FIG.8 foi alumínio A256. O terceiro espécimen foi formado, duas vezes, pelo aquecimento do alumínio a uma temperatura de cerca de 350 °F. Foi formado uma vez numa matriz alimentada a gás e outra vez numa matriz de aquecimento a electricidade. Na primeira vez, o alumínio foi vazado para um molde alimentado num molde à temperatura ambiente que era composto de um agregado de areia de sílica tendo um tamanho médio do grão de cerca de 150 micrometros (Rm) e um ligante à base de vidro fosfático. Na segunda vez, o alumínio foi vazado em areia de sílica com o mesmo tamanho médio de grão usando um ligante de sulfato de magnésio. Cada molde, durante o vazamento, foi mantido à temperatura ambiente. Imediatamente após o metal fundido ser vazado, dentro de 10 segundos após o molde ser cheio, o processo de vaporização começou com o solvente que, como mencionado acima, era água.

Ao sujeitar um molde que tem um ligante solúvel a um solvente, o molde é dissolvido, simultaneamente levando a fundição à solidificar e a arrefecer. Deste modo, consegue-se rapidamente uma fundição substancialmente arrefecida que tenha sido separada do seu molde. A presente invenção permite que o molde defina apenas a forma do -25- produto de fundição e limite a extracção de calor ou não extraia substancialmente qualquer calor da fundição. A extracção de calor é efectuada através de um processo controlado de congelamento da fundição com um solvente de modo direccional para promover as máximas propriedades e o alivio de tensão na fundição. Ao efectuar a extracção de calor num passo separado, o enchimento do molde, quer seja através de vazamento por gravidade, vazamento por oscilação, ou enchimento contra gravidade, incentiva o fluxo do metal fundido ao mesmo tempo que diminui a solidificação prematura, permitindo fundições de geometria complexa ou finas secções a serem atingidas. A aplicação de um solvente tem de ser através de um bocal. Pode-se, por exemplo, direccionar o solvente no molde através de um impulsionador, sobre uma queda de água, ou outros meios. Além disso, é concebível que uma combinação de ligante e solvente possa ser desenvolvida de tal eficácia que o molde possa ser removido sem movimentos rápidos do solvente, tal como mergulhando o molde num banho de solvente. Assim, enquanto um meio de aplicaçao do solvente é através do bocal, outros meios são também concebíveis. Também a pressão do bocal, o volume de solução vaporizada, a direcção da viagem da solução em relação ao molde (por exemplo: 1. o bocal move-se e o molde está estacionário; 2. o molde move-se e o bocal está estacionário; ou 3. tanto o bocal como o molde estão a mover-se, quer simultaneamente ou em intervalos de tempo discretos), bem como outros parâmetros, podem estar dependentes quer no tamanho quer no tipo da parte produzida, ou ambas. Por exemplo, diferentes definições -26- serão precisas quando se fabrica rodas de veículos em relação a quando se produzem componentes se suspensão do veículo mais pequenas.

Tal como nos exemplos acima, as fundições de metal incluem normalmente ascensores que permitem que o metal fundido seja alimentado nas fundições à medida que arrefecem e encolhem, reduzindo assim os vazios causados pelo encolhimento. Quando a fundição tiver arrefecido, o ascensor deve ser cortado. Com a presente invenção, pelo menos um jacto de solvente pode ser concebido para fornecer solvente a uma taxa, volume e área suficientes para cortar o ascensor, eliminando assim um passo do processo em relação ao tipo anterior.

Além disso, o processo, os moldes e o equipamento envolvido são de baixo custo e amigos do ambiente. As fundições podem ser produzidas com um bom acabamento de superfície e propriedades mecânicas desejáveis de um modo rápido e económico, enquanto que os constituintes do molde ode ser recuperados para outras utilizações.

Enquanto que nas Figuras 2 e 3, um sistema de alimentação por gravidade é ilustrado a empregar uma matriz ou concha 32, deve ser avaliado que uma sistema de alimentação assistido por pressão pode também ser empregado para alimentar o metal fundido no molde. Existem tipos conhecidos de uma variedade de sistemas de alimentação assistidos a pressão convencionais.

Nos parágrafos subsequentes, a menção é feita da decomposição do molde. Deve ser avaliado que o molde não tem de ser decomposto ou removido no processo de acordo com a presente invenção. Tudo o que é necessário é uma remoção de pelo menos uma porção do molde, sendo que o passo de -27- remoção do molde se inicia antes do passo de solidificação do metal fundido estar completo. A porção do molde removido pode ser um lado do molde, ou, por exemplo, uma secção do fundo do molde de todos os lados. Por exemplo, todos os quatro lados de um molde rectangular podem ser removidos ou decompostos.

Na especificação acima, foi feita menção da taxa de fornecimento do solvente com um alcance desde os cerca 0,5 a cerca de 50,0 litros por segundo. Deve ser apreciado que a taxa de fornecimento do solvente tanto pode ser constante como pode ser variada, conforme o pretendido. Por exemplo, para determinados metais e moldes, pode ser vantajoso variar a taxa de fornecimento de solvente, enquanto que para outros tipos de metais ou moldes, pode ser benéfica uma taxa de fornecimento constante. De forma similar, foi declarado na especificação que a pressão de fornecimento do solvente pode ter um alcance de cerca de 0,03 bar até cerca de 70.00 bar. Deve ser apreciado que a pressão de fornecimento do solvente tanto pode ser variada ou pode permanecer constante. É aparente para uma das capacidades normais que as bombas convencionais podem ser empregadas e que podem ser adequadamente reguladas para atingir as taxas e as pressões de fornecimento de fluidos desejadas, quer sejam variadas ou constantes. A invenção foi descrita com referência a formas de realização preferidas. Obviamente, ocorrerão alterações e modificações a outros mediante a leitura e compreensão da descrição precedente detalhada. Pretende-se que a invenção seja construída incluindo todas essas modificações e alterações na medida em que entrem no âmbito das reivindicações em apêndice ou dos seus equivalentes. -28-

REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de referências citadas pelo requerente é apenas para a conveniência do leitor. A mesma não faz parte do documento de Patente Europeia. Embora muito cuidado tenha sido tomado na compilação das referências, erros e omissões não podem ser excluídos e o IEP não assume qualquer responsabilidade neste sentido.

Documentos de Patente citados na descrição • US 39471302 P [0001] • CH 622726 [0010]

Lisboa, 24/06/2010

Claims (5)

1. -1 - REIVINDICAÇÕES 1. Um processo de fundição de metais, compreendendo os passos de: fornecer um molde (36, 12 0) que compreende um agregado e um ligante; colocar um metal fundido (122) no molde; solidificar o metal fundido; decompor pelo menos uma porção do molde incluindo dissolver o ligante; sendo que o passo de decomposição de pelo menos uma porção do molde começa antes do passo de solidificação do metal fundido estar completo.
2. 2. O processo da reivindicação 1 em que os passos de decomposição de pelo menos uma porção do molde e a solidificação do metal fundido são efectuados mais ou menos simultaneamente.
3. 3. O processo de qualquer das reivindicações 1 ou 2, em que o passo de decomposição de pelo menos uma porção do molde inclui o passo de vaporização do molde com um solvente.
4. 4. O processo da reivindicação 3, em que o passo de vaporização do molde com um solvente inclui o passo de ajuste da taxa de vaporização do solvente.
5. 5. O processo de qualquer das reivindicações 3 ou 4, em que o passo de vaporização do molde com um -2- solvente inclui o passo de ajuste de um padrao de vaporização do solvente. 6. 0 processo de qualquer das reivindicações 3 a 5, em que o passo de vaporização do molde com um solvente inclui o passo de direccionar pelo menos duas correntes de solvente sobre o molde. 7. 0 processo da reivindicação 6, em que uma primeira corrente de solvente é direccionada para o molde a um tempo diferente de uma segunda corrente de solvente. 8. 0 processo da reivindicação 6 ou reivindicação 7, em que uma primeira corrente de solvente é direccionada para o molde numa localização diferente do que a da segunda corrente de solvente. 9. 0 processo de qualquer das reivindicações 3 a 8, em que o solvente é fornecido a um taxa desde cerca de 0,05 a cerca de 50,0 litros por segundo. 10.0 processo de qualquer das reivindicações 3 a 9, em que o solvente é fornecido a um pressão desde cerca de 0,03 a cerca de 70,00 bar. 11.0 processo de qualquer das reivindicações 3 a 10, em que o solvente inclui pelo menos um de um material liquido, gasoso e de granalha. -3- 12.0 processo de quaisquer das reivindicações 3 a 11 e compreendendo ainda o passo adicional de recuperação de pelo menos um de o ligante, agregado e solvente. 13.0 processo de quaisquer das reivindicações 1 a 12, em que o passo de colocação do metal fundido no molde é acompanhado por alimentação por gravidade (32) do metal fundido. 14.0 processo de quaisquer das reivindicações 1 a 13, incluindo o passo de continuar a colocar o metal fundido no molde durante o passo de remoção de pelo menos uma porção do molde. Lisboa 24/06/2010 - 1 /5 -

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