PT2393619E - Processo para o fabrico de peças de fundição injectada - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "PROCESSO PARA O FABRICO DE PEÇAS DE FUNDIÇÃO INJECTADA" A presente invenção refere-se a um processo para o fabrico de peças de fundição injectada de uma liga de alumínio, de acordo com o conceito genérico da reivindicação 1.

As peças de fundição injectada de ligas de alumínio encontram aplicação cada vez mais frequente, entre outras, na indústria automóvel, por razões de uma redução de peso exigida cada vez mais. Por razões técnicas de fundição, por exemplo, na ligação de estruturas tipo space frame com processos convencionais de fundição injectada, não pode ser ultrapassada por defeito, em regra, uma espessura de parede das peças de fundição injectada de aproximadamente 2 mm. 0 enchimento do molde de fundição injectada com massas metálicas em fusão parcialmente solidificadas, através de utilização de fundição tixotrópica ou reotrópica conduz a um melhor enchimento do molde e, subsequentemente, a uma outra possível redução da espessura de parede das peças de fundição injectada para aproximadamente 1 mm. Com uma espessura de parede decrescente, no entanto, a menor capacidade para suportar forças torna-se cada vez mais um factor limitativo. Esta desvantagem poderia ser contrariada, em princípio, através de adição de nanopartícuias a uma matriz de liga de alumínio. No entanto, faltam processos adequados para o fabrico com custos favoráveis de ligas de alumínio reforçadas com partículas à escala nanométrica e a sua preparação para obter massas metálicas em fusão parcialmente solidificadas, para 1 a fundição injectada.

No caso de um processo divulgado no documento US 2003/0201088 AI uma massa metálica em fusão no estado liquido é introduzida num tubo cilíndrico, no qual está situada coaxialmente uma barra de compressão. O diâmetro exterior da barra de compressão, neste caso, é menor que o diâmetro interior do tubo cilíndrico, de modo que o metal líquido flui no espaço intermédio entre o tubo cilíndrico e a barra de compressão. A barra de compressão está prevista para a realização de um movimento axial de vaivém e de uma rotação em torno do seu eixo longitudinal. Uma válvula que rodeia a barra de compressão e que pode ser deslocada de modo deslizante na parede interior do tubo cilíndrico, com superação de uma resistência ao atrito, divide o tubo cilíndrico numa câmara superior e numa câmara inferior. Dependendo da direcção de deslocamento axial da barra de compressão, a válvula abre ou fecha e torna possível ou bloqueia o fluxo de metal entre a câmara superior e a inferior. Com o movimento da barra de compressão para a frente, a válvula permanece fechada e o metal na câmara inferior do tubo cilíndrico é impelido, através de uma abertura de saída, para a câmara de enchimento de uma máquina de fundição injectada. Por meio de elementos térmicos, o perfil de temperatura da massa metálica em fusão no tubo cilíndrico é controlado de modo que uma massa em fusão parcialmente solidificada se ajusta com um determinado teor de sólidos. Da superfície de revestimento da barra de compressão salientam-se radialmente algumas pás. As pás servem, por um lado, para o apoio coaxial da barra de compressão no tubo cilíndrico, na medida em que as pás se apoiam na parede interior do tubo cilíndrico. Por outro lado, as pás, através da rotação da barra de compressão em torno do seu eixo longitudinal, conduzem a uma agitação da massa metálica em fusão, com o objectivo de uma 2 distribuição uniforme da temperatura no metal.

Cabe à invenção o objectivo de criar um processo do género referido na introdução, com o qual possa ser preparada continuamente uma massa em fusão de liga de alumínio parcialmente solidificada, com custos favoráveis e trabalhada para obter peças de fundição injectada. Um outro objectivo da invenção reside na criação de um processo para o fabrico de peças de fundição injectada reforçadas com nanopartículas de uma liga de alumínio com o qual possa ser preparada continuamente uma massa em fusão de liga de alumínio parcialmente solidificada, sob o efeito de forças transversais típicas do processo, com uma elevada dispersão fina de nanopartículas, com custos favoráveis e transformada em peças de fundição injectada.

Para a solução do primeiro objectivo, de acordo com a invenção, contribui um processo com as características da reivindicação 1. Neste caso, as elevadas forças transversais presentes na fase de solidificação parcial, no processo de moldagem, originam uma fragmentação constante de prolongamentos dendríticos que se formam, o que conduz a uma ductilidade acrescida das peças de fundição injectada. As elevadas forças de compressão conduzem, além isso, a uma transferência térmica mais elevada, o que por fim torna possível um ajuste mais preciso do teor de sólidos na liga de alumínio.

Para a solução do segundo objectivo, de acordo com a invenção, contribui o facto de, para o fabrico de peças de fundição injectada reforçadas com nanopartículas, serem misturadas nanopartículas com a liga de alumínio na máquina de misturar e moldar e finamente dispersas na liga de alumínio, através de elevadas forças transversais, sendo a liga de 3 alumínio líquida e as nanopartículas alimentadas ao espaço de trabalho numa extremidade da carcaça e removida do espaço de trabalho na outra extremidade da carcaça, como liga de alumínio parcialmente solidificada, com um teor de sólidos definido previamente e com nanopartículas finamente dispersas na liga de alumínio. Neste caso, as elevadas forças transversais presentes na fase de solidificação parcial no processo de moldagem, a par da fragmentação de prolongamentos dendríticos que se formam e da maior ductilidade assim obtida, ocasionam uma dispersão fina das nanopartículas, que é necessária para o seu efeito de aumento da resistência.

De um modo conveniente, o revestimento interior da carcaça está rodeado por um revestimento exterior da carcaça, com formação de um espaço intermédio, de um modo preferido de forma cilíndrica oca e são conduzidos através do espaço intermédio gases frios e/ou quentes, para o arrefecimento e aquecimento do espaço de trabalho. Para o arrefecimento é conduzido de um modo preferido ar, de um modo preferido ar comprimido e para o aquecimento, gases quentes, de um modo preferido gases de combustão, através do espaço intermédio.

Os gases são conduzidos, de um modo preferido, em contra-corrente, em relação à direcção de transporte da liga de alumínio, através do espaço intermédio. 0 teor de sólidos da liga de alumínio é ajustado, de um modo preferido, para 40 a 80%, em especial para mais de 50%.

Numa forma preferida de realização do processo de acordo com a invenção, a liga de alumínio parcialmente solidificada é removida do espaço de trabalho como cordão metálico parcialmente 4 solidificado. 0 cordão metálico parcialmente solidificado que sai continuamente é dividido em porções metálicas parcialmente solidificadas e as porções metálicas parcialmente solidificadas são conduzidas à câmara de enchimento da máquina de fundição injectada. A percentagem de peso das nanopartículas na liga situa-se, de um modo preferido, entre aproximadamente 0,1 a 10%. As nanopartículas adequadas, com custos favoráveis, são constituídas de um modo preferido por ácido silícico pirogénico, como por exemplo Aerosil®. No entanto, podem também ser utilizadas outras nanopartículas, como por exemplo os conhecidos nanotubos de carbono (CNT), bem como outras partículas à escala nanométrica de óxidos de metais e metalóides, produzidas, por exemplo, de acordo com o conhecido processo Aerosil®, como por exemplo óxido de alumínio (AI2O3), dióxido de titânio (TÍO2), óxido de zircónio (ZrC>2) , óxido de antimónio (III), óxido de crómio (III), óxido de ferro (III), óxido de germânio (IV), óxido de vanádio (V) ou óxido de volfrâmio (VI) .

Outras vantagens, características e particularidades da invenção resultam da descrição que se segue de exemplos preferidos de realização, bem como com base no desenho, que serve apenas para o esclarecimento e não deve ser interpretado de modo limitativo. O desenho mostra esquematicamente na

Fig. 1 um corte longitudinal através de uma máquina de fundição injectada, com máquina de misturar e moldar instalada a montante;

Fig. 2 um corte longitudinal através de uma parte de uma máquina de misturar e moldar; 5

Fig. 3 um corte transversal através da máquina de misturar e moldar da fig. 1;

Fig. 4 campos caracteristicos de fluxo transversal e de alongamento numa massa de produto, causados por uma pá de moldar que se move junto de uma cavilha de moldar;

Fig. 5 o fabrico continuo de matéria-prima parcialmente solidificada para a fundição injectada, com uma disposição de acordo com a fig. 1.

Uma instalação mostrada na fig. 1 para a fundição injectada de peças de fundição injectada de uma liga de alumínio, reforçadas opcionalmente com nanopartículas apresenta uma máquina 10 de fundição injectada e uma máquina 30 de misturar e moldar instalada a montante da máquina 10 de fundição injectada. A máquina 10 de fundição injectada reproduzida apenas parcialmente no desenho é uma máquina normalmente comercializada para a fundição injectada convencional de ligas de alumínio e apresenta, entre outros, uma câmara 12 de enchimento, ligada a um lado 18 fixo de um molde de fundição, com uma abertura 16 para o alojamento do metal a ejectar para fora da câmara 12 de enchimento, por meio de um êmbolo 20 e a injectar num espaço 14 de moldar oco do molde de fundição. A máquina 30 de misturar e moldar está representada pormenorizada nas fig. 2 e 3. A estrutura básica de uma máquina de misturar e moldar deste género é conhecida, por exemplo, a partir do documento CH-A-278575. A máquina 30 de misturar e moldar apresenta uma carcaça 31 com um espaço 34 de trabalho 6 rodeado por um revestimento 32 interior da carcaça, no qual está colocado um veio 36 sem-fim, que se move em vaivém dentro do revestimento 32 interior da carcaça, rodando em torno de um eixo x longitudinal e em translação no eixo x longitudinal. 0 veio 36 sem-fim é interrompido na direcção da periferia, com formação de pás 38 de moldar individuais. Desta maneira resultam aberturas 40 axiais passantes entre as pás 38 de moldar individuais. Do lado interior do revestimento 32 interior da carcaça estão salientes cavilhas 42 de moldar para dentro do espaço 3 4 de trabalho. As cavilhas 42 de moldar do lado da carcaça encaixam nas aberturas 40 axiais passantes das pás 38 de moldar situadas no veio principal ou veio 36 sem-fim. Um veio 44 de accionamento situado concêntrico ao veio 36 sem-fim é guiado para fora do revestimento 32 interior da carcaça do lado frontal e está ligado a uma unidade de accionamento, não representada no desenho, para a realização de um movimento de rotação do veio 36 sem-fim. Igualmente não representado no desenho está um dispositivo que actua em cooperação com o veio 36 sem-fim, para a realização do movimento de translação do veio 36 sem-fim. O revestimento 32 interior cilíndrico da carcaça da máquina 30 de misturar e moldar, que delimita o espaço 34 de trabalho, está rodeado por um revestimento 46 exterior cilíndrico da carcaça. O revestimento 32 interior da carcaça e o revestimento 46 exterior cilíndrico da carcaça formam um revestimento duplo e fecham, neste caso, um espaço 48 intermédio de forma cilíndrica oca.

Na extremidade da carcaça 31 próxima do lado do accionamento do veio 36 sem-fim está prevista uma abertura 50 de enchimento, para a alimentação de liga de alumínio líquida e, em opção, de nanopartículas, ao espaço 34 de trabalho. Ainda que no desenho 7 apenas seja mostrada uma abertura 50 de enchimento, podem estar previstas duas aberturas de enchimento separadas, para a liga de alumínio e para as nanopartículas. Em princípio, também é possível misturar as nanopartículas da liga de alumínio líquida já antes da introdução do metal na máquina 30 de misturar e moldar. Na extremidade do revestimento 32 interior da carcaça afastada do lado do accionamento do veio 36 sem-fim está prevista uma abertura 52 de descarga, para a remoção de liga de alumínio parcialmente solidificada, com nanopartículas opcionalmente dispersas nesta.

Na extremidade da carcaça 31 afastada do lado do accionamento do veio 36 sem-fim estão previstas no revestimento 46 exterior da carcaça algumas aberturas 54, 56 de entrada, para a admissão de gases frios ou quentes no espaço 48 intermédio. Correspondentemente, estão previstas na extremidade próxima do lado do accionamento do veio 36 sem-fim da carcaça 31 algumas aberturas 58, 60 de saída, para a saída dos gases do espaço 48 intermédio. Para garantir um fluxo de gás máximo e distribuído uniformemente pela periferia do revestimento 32 interior da carcaça, das aberturas 54, 56 de entrada para as aberturas 58, 60 de saída e, por conseguinte, uma extracção de calor uniforme do espaço 34 de trabalho ou uma introdução de calor uniforme no espaço 34 de trabalho, as aberturas 54, 56 ou 58, 60 de entrada e de saída, de acordo com a fig. 3, estão colocadas distribuídas uniformemente em torno da periferia do revestimento 46 exterior da carcaça. A fig. 4 mostra em representação esquemática campos característicos de fluxo transversal e de alongamento, numa massa P de produto, tais como surgem numa máquina 30 de misturar e moldar realizada de acordo com o estado da técnica, através de uma pá 38 de moldar, que se move junto de uma cavilha 42 de moldar. A direcção de rotação da pá 38 de moldar está indicada esquematicamente através de uma seta A curva, enquanto o movimento de translação da pá 38 de moldar está indicado através de uma seta B dupla. Através do movimento de rotação da pá 38 de moldar, a ponta desta distribui a massa P de produto, como está indicado através de setas C, D. Entre a cavilha 42 de moldar e a superfície 39 principal da pá 38 de moldar voltada para a cavilha 42 de moldar e a pá 38 de moldar que se move junto desta existe uma ranhura 41, cuja largura varia através da rotação e do movimento de translação do veio 36 sem-fim. Nesta ranhura 41 é efectuada uma operação de corte tangencial na massa P de produto, o que está indicado através de setas E. Tanto à frente como também atrás da cavilha 42 de moldar a massa P de produto alivia tensões e reorienta-se, como está indicado através de setas F, G de rotação. Como já referido na introdução, surge em cada ciclo de corte tangencial numa linha uma aproximação máxima de pá 38 de moldar e cavilha 42 de moldar, através do movimento axial sinusoidal da respectiva pá 38 de moldar e, por conseguinte, uma velocidade máxima em corte tangencial na massa P de produto.

Em seguida, com base nas fig. 1 e 2, é explicado em pormenor, a título de exemplo, o modo de funcionamento da instalação para a fundição injectada de peças de fundição injectada de uma liga de alumínio, reforçadas opcionalmente com nanopartículas.

Uma massa em fusão de liga de alumínio mantida com temperatura ligeiramente acima do liquidus da liga é alimentada ao espaço 34 de trabalho de forma doseada, só ou juntamente com nanopartículas, através da abertura 50 de enchimento. Através do 9 esmagamento da liga de alumínio parcialmente solidificada com nanopartí cuias, entre as pás 38 de moldar e as cavilhas 42 de moldar, são introduzidas elevadas forças transversais, que tanto conduzem à fragmentação de prolongamentos dendríticos, como também efectuam uma dispersão fina das nanopartículas que se apresentam sob a forma de aglomerados. Uma mistura eficiente de homogeneização resulta da sobreposição do efeito de mistura radial e longitudinal. Através de regulação do fluxo de gases frios e quentes através do espaço 48 intermédio, entre o revestimento 32 interior da carcaça e o revestimento 46 exterior da carcaça, o teor de sólidos da liga de alumínio no espaço 34 de trabalho é ajustado de modo que este se situa na gama pretendida, com a remoção do metal através da abertura 52 de descarga. 0 ajuste do teor de sólidos pretendido da liga de alumínio verifica-se através de medição da alteração da viscosidade da massa metálica em fusão na máquina 30 de misturar e moldar. A viscosidade que aumenta com crescente teor de sólidos da liga de alumínio parcialmente solidificada pode ser detectada, por exemplo, através da medição da resistência à rotação no veio 44 de accionamento do veio 36 sem-fim. Através da determinação da resistência à rotação para teores de sólidos definidos podem ser estabelecidos valores nominais correspondentes, sobre os quais são ajustados valores efectivos medidos, através de controlo do fluxo de gases frios e quentes através do espaço 48 intermédio, entre os revestimentos 32, 46 interior e exterior da carcaça. A liga de alumínio, apresentando o teor de sólidos pretendido e contendo opcionalmente nanopartículas finamente dispersas é introduzida através da abertura 16 de enchimento, na câmara 12 de enchimento da máquina 10 de fundição injectada e ejectada para fora desta por ciclos, por meio do êmbolo 20, de 10 maneira conhecida, da câmara 12 de enchimento para o espaço 14 de moldar oco do molde de fundição.

Com base na fig. 5, é explicado em seguida em pormenor, a titulo de exemplo, o fabrico continuo de matéria-prima parcialmente solidificada em forma de barra, para a fundição injectada de peças de fundição injectada de uma liga de alumínio, reforçadas opcionalmente com nanopartículas. 0 modo de funcionamento explicado anteriormente com base nas fig. 1 e 2 é mantido. A liga de alumínio, apresentando o teor de sólidos pretendido e contendo opcionalmente nanopartículas finamente dispersas é ejectada continuamente através da abertura 52 de descarga, sob a forma de um cordão 70 metálico parcialmente solidificado. Do cordão 70 metálico parcialmente solidificado são cortadas ao comprimento porções 72 metálicas parcialmente solidificadas, por exemplo, com uma lâmina rotativa. As porções 72 metálicas parcialmente solidificadas correspondem normalmente, respectivamente, à quantidade de metal necessário para o fabrico de uma peça individual de fundição injectada e são transportadas para cada fornada individualmente para a câmara 12 de enchimento da máquina 10 de fundição injectada e ejectadas para fora desta por ciclos, por meio do êmbolo 20, de maneira conhecida, da câmara 12 de enchimento para o espaço 14 de moldar oco do molde de fundição.

Normalmente, o cordão 70 metálico parcialmente solidificado deixa a máquina 30 de misturar e moldar na direcção do eixo x longitudinal do veio 36 sem-fim em direcção horizontal; no entanto é também concebível uma outra direcção de saída, por exemplo vertical. A secção transversal do cordão 70 metálico 11 calcula-se de acordo com a secção transversal da abertura 52 de descarga e é normalmente circular. As porções 72 metálicas parcialmente solidificadas podem ser seguradas com uma tenaz, por exemplo e transportadas para a câmara 12 de enchimento da máquina 10 de fundição injectada.

Lisboa, 27 de Junho de 2013 12

Claims (10)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Processo para o fabrico de peças de fundição injectada de uma liga de alumínio, sendo que a liga de alumínio atravessa uma máquina com uma carcaça (31), com um espaço (34) de trabalho rodeado por um revestimento (32) interior da carcaça e um veio com pás, que se move em vaivém dentro do revestimento (32) interior da carcaça, rodando em torno de um eixo (x) longitudinal e em translação no eixo (x) longitudinal, sendo alimentada liga de alumínio líquida ao espaço (34) de trabalho numa extremidade da carcaça (31) e removida do espaço (34) de trabalho na outra extremidade da carcaça (31), como liga de alumínio parcialmente solidificada, com um teor de sólidos definido previamente, conduzida para uma câmara (12) de enchimento de uma máquina (10) de fundição injectada e injectada num molde de fundição por meio de um êmbolo (20), sendo o teor de sólidos da liga de alumínio no espaço (34) de trabalho ajustado para o teor de sólidos definido previamente, através de arrefecimento e aquecimento específicos do espaço (34) de trabalho, caracterizado por a liga de alumínio ser exposta a elevadas forças transversais numa máquina (30) de misturar e moldar, com um veio (36) sem-fim interrompido na direcção da periferia, com formação de pás (38) individuais de moldar, com aberturas (40) axiais passantes entre as pás (38) de moldar e com cavilhas (42) de moldar, fixadas ao revestimento (32) interior da carcaça, salientes para dentro do espaço (34) de trabalho e que encaixam nas aberturas (40) axiais passantes. 1
2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o revestimento (32) interior da carcaça estar rodeado por um revestimento (46) exterior da carcaça, com formação de um espaço (48) intermédio, de um modo preferido de forma cilíndrica oca e por serem conduzidos gases frios e/ou quentes através do espaço (48) intermédio, para o arrefecimento e aquecimento do espaço (34) de trabalho.
3. 3. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por serem conduzidos através do espaço (48) intermédio para o arrefecimento ar, de um modo preferido ar comprimido e para o aquecimento, gases quentes, de um modo preferido gases de combustão.
4. 4. Processo de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado por os gases serem conduzidos em contra-corrente, em relação à direcção de transporte da liga de alumínio, através do espaço (48) intermédio.
5. 5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por, para o ajuste de um teor de sólidos pretendido, a viscosidade da liga de alumínio no espaço (34) de trabalho ser medida e ajustada para um valor definido previamente, através de arrefecimento e aquecimento específicos do espaço (34) de trabalho.
6. 6. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por o teor de sólidos da liga de alumínio ser ajustado para 40 a 80%, de um modo preferido para mais de 50%. 2
7. 7. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por a liga de alumínio parcialmente solidificada ser removida do espaço (34) de trabalho como cordão (70) metálico parcialmente solidificado, o cordão (70) metálico parcialmente solidificado ser dividido em porções (72) metálicas parcialmente solidificadas e as porções (72) metálicas parcialmente solidificadas serem conduzidas à câmara (12) de enchimento da máquina (10) de fundição injectada.
8. 8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por, para o fabrico de peças de fundição injectada reforçadas com nanopartícuias, serem misturadas nanopartí cuias com a liga de alumínio na máquina (30) de misturar e moldar e finamente dispersas na liga de alumínio, através de elevadas forças transversais, sendo a liga de alumínio líquida e as nanopartículas alimentadas ao espaço (34) de trabalho numa extremidade da carcaça (31) e removida do espaço (34) de trabalho na outra extremidade da carcaça (31), como liga de alumínio parcialmente solidificada, com um teor de sólidos definido previamente e com nanopartículas finamente dispersas na liga de alumínio.
9. 9. Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a percentagem volumétrica das nanopartículas na liga alcançar 0,1 a 10%.
10. 10. Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por serem utilizados como nanopartículas ácido silícico pirogénico, nanotubos de carbono (CNT) , bem como outras partículas à escala nanométrica de óxidos de metais e metalóides, como por exemplo óxido de alumínio (AI2O3), 3 dióxido de titânio (TÍO2) , óxido de zircónio (ZrCg), ó de antimónio (III), óxido de crómio (III), óxido ferro (III), óxido de germânio (IV), óxido de vanádio ou óxido de volfrâmio (VI). Lisboa, 27 de Junho de 2013 ido de (V) 4