PT91078B - Processo de moldagem com espuma o perdida de pecas metalicas - Google Patents

Description

ALUMINIUM PÊCHINEY

Processo de moldagem com espuma perdida de peças metálicas

A presente invenção diz respeito a um aperfeiçoamento no processo de moldagem com espuma perdida de peças metálicas nomeadamente de alumínio e suas ligas tal como se descreve no pedido de patente principal N2 86 - 16415, depositado em 17 de Novembro de 1986.

Os entendidos na matéria sabem, por exemplo, por meio das indicações da patente de invenção norte-americana número 3 157 924, que é possível utilizar para a moldagem dos metais modelos de espuma de matéria orgânica tal como poliestireno que se introduz num molde constituído por areia seca que não contém qualquer agente de ligação. Industrialmente, estes modelos são geralmente revestidos cora uma película de material refractário destinada a melhorar a qualidade das peças moldadas.

Num tal processo, o metal a moldar, que foi previamente fundido, é posto em contacto com o modelo por intermédio de um orifício de alimentação e de canais que atravessam a areia e substitui progressivamente o referido modelo queimando-o e transformando-o principalmente em vapores que se escapam por entre os grãos de areia.

Em relação à moldagem clássica em molde não permanente, esta técnica evita a fabricação prévia por compactação e aglomeração de materiais refractários pulverulentos, de moldes rígidos associados de maneira mais ou menos complicada a machos e assim como gem.

permite uma recuperação fácil das peças moldadas uma reciclagem facilitada dos materiais de molda-

Ela é portanto mais simples e mais económica do que a técnica clássica. Além disso, ela oferece aos projectistas de peças moldadas uma maior liberdade no que diz respeito à forma das mencionadas peças. Ê esse o motivo por que esta técnica se mostra cada vez mais sedutora sob o ponto de vista industrial.

No entanto, ela possui diversos inconvenientes de entre os quais dois resultam de mecanismos metalúrgicos clássicos, a saber:

- a relativa lentidão da solidificação que favorece a formação de picadas de gasagem proveniente do hidrogénio dissolvido na liga de alumínio líquida;

- a relativa fraqueza dos gradientes térmicos que favorece a formação de microfissuras.

Foi com a finalidade de evitar esses inconvenientes que a requerente propôs no pedido principal uma invenção que consiste em aplicar no molde, depois do enchimento e antes de a fracção solidificada do metal ultrapassar 40% em peso, uma pressão gasosa isostática de valor máximo compreendido entre 0,5 e

1,5 MPa.

Assim, o processo de acordo com a presente invenção compreende as operações clássicas de moldagem com espuma perdida, a saber:

- preparar um modelo da peça a moldar formado por uma espuma de matéria orgânica revestida com uma película de material refractário;

introduzir o mencionado modelo num molde formado por areia seca sem agente ligante;

- encher o molde com o metal no estado fundido para queimar o citado modelo, efectuando-se este enchimento por intermédio de um orifício de alimentação que põe o modelo em relação com o exterior do molde;

- evacuar os vapores e os resíduos líquidos emitidos pelo citado modelo durante a sua combustão; e

- permitir que o metal fundido solidifique para se obter a peça.

Mas a requerente tinha-o aperfeiçoado no sentido de, quando o molde tivesse sido compietamente cheio, isto é, quando o metal tivesse substituído inteiramente o modelo e a maior parte dos vapores tivessem sido evacuados, se aplicar uma pressão gasosa ao molde, podendo esta operação realizar-se colocando o molde num recinto apto a manter a pressão e ligado a uma fonte de gás sob pressão·

Esta operação podia ser feita imediatamente depois do enchimento enquanto o metal se encontrava ainda compietamente liquido, mas também podia ter lugar mais tarde desde que a fracção solidificada de metal no molde não ultrapasse 40%, valor acima do qual a pressão teria apenas um efeito desprezável.

De preferência, o valor da pressão aplicável estava no máximo compreendida entre 0,5 e 1,5 MPa, sendo um valor inferior a 0,5 MPa de um efeito insuficiente e provocando um valor superior a 1,5 MPa custos de exploração elevados.

Verificava-se então que se aumentava consideravelmente a compacidade das peças eliminando ou pelo menos reduzindo as

- 4- 9 picadas de gasagem e as microfissuras e se melhorava assim as suas características mecânicas. Todavia, isso provocava o aparecimento de um inconveniente denominado abeberação·

Com efeito, quando se aplica uma pressão sobre um molde de moldagem com espuma perdida sem tomar quaisquer precauções, a referida pressão exerce-se por um lado directamente sobre o orifício de alimentação de metal no qual é praticamente transmitida instantaneamente a toda a massa de metal líquido e, por outro lado, sobre a superfície da areia em que ela é transmitida com uma intensidade progressivamente atenuada pelo efeito da perda de carga através dos grãos de areia. Estabelece-se portanto um desequilíbrio da pressão que provoca uma sobrepressão Δ P do metal em relação à areia ao nível da sua interface, isto é, no sítio em que o modelo estava em contacto com a areia. Este desiquilíbrio é temporário e produz-se pouco depois da aplicação da pressão para ser em seguida reabsorvida.

Se esta sobrepressão for demasiadamente grande, ela provoca uma penetração do metal entre os grãos de areia e origina uma deformação da superfície da peça. Ê nisso que consiste o fenómeno designado abeberação· Para o evitar, é preciso portanto procurar diminuir o mais possível esta sobrepressão e a requerente conseguiu isso no pedido de patente de invenção principal procedendo à aplicação de uma pressão que aumenta progressivamente em função do tempo desde o valor zero até ao valor máximo pretendido, depois do que se mantém esta pressão até à solidificação completa do metal. Com efeito, quanto mais fraca for a pressão no início da sua aplicação, mais pequeno será o desequilíbrio. Foi então assim possível definir uma

- 5 velocidade de aumento da pressão suficientemente pequena para se obter uma sobrepressão reduzida.

Mas, além deste fenómeno da abeberação e dos inconvenientes que resultam dos mecanismos metalúrgicos clássicos referidos antes na presente memória descritiva que tenham sido resolvidos, a requerente apercebeu-se de dois outros inconvenientes resultantes de mecanismos absolutamente específicos do processo de moldagem com espuma perdida e que são:

- a formação de bolhas como consequência de resíduos gasifiçados da espuma e

- a formação de inclusões de carbono associadas com óxidos e como consequência do contacto da liga de alumínio com resíduos carbonosos da espuma.

Portanto, realizou investigações complementares que permitiram chegar às conclusões seguintes.

Como se mencionou antes na presente memória descritiva, a prática industrial da moldagem com modelo perdido consiste em revestir os modelos com uma película de material refractário geralmente formada por partículas de materiais cerâmicos aglomeradas por um agente ligante. Esta película actua da seguinte maneira: no momento em que se efectua o vazamento do metal líquido, a espuma fabricada na maior parte das vezes a partir de poliestireno é eliminada simultaneamente sob a forma gasosa e líquida. A camada refractária tem como função regular a eliminação da forma gasosa graças à sua permeabilidade e absorver a forma líquida. De uma maneira geral, a permeabilidade deve ser adaptada à peça a fim de garantir a conservação de uma almofada de gás entre o metal líquido e a espuma e o poder absorvente

- 6 deve ser máximo para eliminar os resíduos líquidos.

Assim, no fim do enchimento do molde, a camada refractária encontra-se saturada de resíduos, escapando-se o excesso em relação à saturação para dentro da areia. Tem-se então no molde o metal com uma temperatura de 600 a 800°C em contacto com esta camda saturada de matéria orgânica do que pode resultar uma gasificação do líquido que origina então uma pressão tal que o gás penetra no metal e forma bolhas e ao mesmo tempo provoca o aparecimento de inclusões de carbono provenientes de uma combustão incompleta dos resíduos de espuma.

Para evitar este inconveniente, é preciso portanto criar uma sobrepressão suficiente no metal líquido em relação ao espaço situado na areia por trás da película a fim de provocar a evacuação dos resíduos gasosos e líquidos para a areia e impedir assim a sua entrada no metal.

Mas isto opõe-se à solução adoptada para evitar a abeberação e que consiste em reduzir o mais possível a velocidade de aumento da pressão para diminuir o mais possível esta sobrepressão.

A requerente descobriu assim que era imperativo, para se evitar a abeberação e a penetração dos resíduos no metal, empregar tuna gama de sobrepressão que constitui o aperfeiçoamento de acordo com a presente invenção e que consiste em utilizar uma velocidade de aumento da pressão tal que, em função da granulometria da areia e da profundidade de imersão do modelo, ela origina rápida e temporariamente por perda de carga através da areia uma sobrepressão do metal fundido em relaçao à areia ao nível da sua interface, atingindo esta sobrepressão

um valor compreendido entre dois limites e diminuindo em seguida à medida que a referida pressão aumenta e depois manter a mencionada pressão constante até à solidificação completa.

De preferência, o valor desta velocidade fica compreendida entre 0,003 e 0,3 MPa por segundo e é tanto mais pequeno quanto maior for a espessura da peça, fazendo os valores da velocidade exteriores a este intervalo predominar um ou outro destes dois inconvenientes.

Esta velocidade deve evidentemente ter em conta a perda de carga através do molde, isto é, a granulometria da areia e também a profundidade de imersão do modelo na areia.

Por este motivo, escolheu-se em função destes parâmetros e de maneira a obter-se valores de sobrepressão compreendidos entre 0,001 e 0,030 MPa e, de preferência, entre 0,002 e 0,010 MPa.

Esta sobrepressão é necessária somente durante um intervalo de tempo crítico que se segue imediatamente ao enchimento da peça e em que a película está ainda saturada com produtos não totalmente vaporizados. De preferência, esta sobrepressão é atingida em menos de 2 segundos depois da aplicação da pressão, momento em que a abeberação é mais importante.

A invenção pode ser ilustrada com o auxílio dos exemplos de aplicação seguintes que se referem à moldagem do colector e da cabeça de um motor de combustão interna em condições em que se entra em linha de conta com a granulometria da areia e a profundidade da imersão do modelo a fim de se situar dentro dos intervalos de sobrepressão reivindicados.

Estas condições e os parâmetros dos moldes utilizados

- 8 figuram no Quadro 1 seguinte

QUADRO 1

NÚMERO	1	2	3
Aplicação da pressão	A partir do fim do enchimento	A partir do fim do enchimento	Quando a taxa de solidificação atinge 35%
Tipo da peça	Colector	Cabeça	Cabeça
Granulometria de	48	48	100
areia em AFS*
Duração da solidificação em segundos	60	240	240
Espessura da peça em mm	4	8	8
Duração da subida da pressão de 0 para 0,8 MPa em segundos	12	46	80
Velocidade de aumento da pressão em MPa/s	0,066	0,017	0,01
Δ P máximo em MPa	0,0097	0,0046	0,0030
Profundidade de imersão do modelo em mm	250	450	450
Tempo para^atingir a sobrepressão máxima em segundos	0,9	0,6	0,4

AFS norma de granulometria americana internacionalmente reconhecida.

As peças assim moldadas apresentavam muito poucas bolhas e nenhuma incrustação de carbono, o que mostra a eficácia do aperfeiçoamento de acordo com a presente invenção.

Claims (5)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Aperfeiçoamento do processo de moldagem com espuma perdida de peças metálicas, que compreende as seguintes operações :

   - preparar um modelo da peça a moldar formada por uma espuma de matéria orgânica revestida por uma película de refractério;

   - introduzir o referido modelo num molde formado por areia seca sem agente ligante;

   - encher o molde com o metal no estado fundido para queimar o mencionado modelo;

   - evacuar os vapores e os resíduos líquidos emitidos pelo modelo;

   - permitir que o metal fundido solidifique para se obter a citada peça;

   - aplicar ao molde, antes de a fracção solidificada de metal ultrapassar 40 por cento em peso, uma pressão isostática de valor máximo compreendido entre 0,5 β 1,5 MPa, caracterizado pelo facto de se fazer subir a referida pressão com uma velocidade tal que, em função da granulometria da areia e da profundidade de introdução do modelo, ela gera rápida e temporariamente por perda de carga através da areia uma sobre— pressão do metal fundido em relação à areia ao nível da sua interface, atingindo essa sobrepressão um valor compreendido entre dois limites e decrescendo em seguida à medida que a mencionada pressão aumenta e, em seguida, de se manter constante a citada pressão até à solidificação completa do metal.
2. 2. Aperfeiçoamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela facto de a velocidade de crescimento da pressão estar compreendida entre 0,003 e 0,3 MPa/segundo, e tanto mais pequena quanto maior for a espessura da peça.
3. 3· Aperfeiçoamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a sobrepressão ter um valor compreendido entre 0,001 e 0,030 MPa.
4. 4. Aperfeiçoamento de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de a sobrepressão ter um valor compreendido entre 0,002 e 0,010 MPa.
5. 5. Aperfeiçoamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a sobrepressão máxima ser atingida ao fim de menos de 2 segundos.