Processo de fundição por cera perdida
Introdução à Fundição por Investimento
A fundição por cera perdida é um processo de conformação de metais. Um material cerâmico resistente ao calor é aplicado sobre um modelo de cera para formar um molde cerâmico. Esse molde cerâmico é então seco, aquecido até derreter, e o modelo de cera é removido para formar uma concha. Em seguida, o metal fundido é vertido na concha cerâmica e, após a solidificação do metal, a concha é removida para se obter a peça fundida. Algumas peças fundidas por investimento requerem usinagem adicional após a fundição. A fundição por investimento é normalmente utilizada para produzir peças com formas complexas e altos requisitos de precisão dimensional e qualidade de superfície.
Processo de fundição por cera perdida
A lógica central da fundição por cera perdida consiste em “utilizar a cera como molde, a concha como modelo e fundir o ouro por meio do processo de fundição por cera perdida”. O processo exige tanto precisão quanto uma abordagem sistemática, requerendo um controle rigoroso dos parâmetros do processo em cada etapa (como temperatura, umidade e espessura do revestimento) para garantir a qualidade da fundição.
A Suijin Machinery fornece fluxos de processo padrão para a produção industrial em grande escala, ao mesmo tempo em que oferece soluções otimizadas para a personalização de pequenos lotes.
Etapa 1: Fase preparatória: Desenhos e projeto do processo
1. Análise e otimização de desenhos de peças
Com base no modelo 3D (formato STEP/IGES) ou nos desenhos 2D fornecidos pelo cliente, analisar a estrutura da peça (espessura da parede, cavidade interna, filetes), as tolerâncias dimensionais (por exemplo, requisitos de grau CT4-CT7), padrões de qualidade de superfície (Ra 1,6–6,3 μm) e requisitos de material (por exemplo, aço inoxidável 316L, liga de titânio TC4);
Otimização de processos:
- Adicionar um reforço de espessura durante o processo para peças de parede fina (≤ 1 mm) a fim de evitar um vazamento incompleto;
- Projetar “canais de ventilação” para cavidades internas complexas, a fim de evitar a retenção de gás na estrutura do molde, o que pode causar defeitos de porosidade;
- Marque as dimensões-chave (superfícies de encaixe, superfícies de vedação) para um controle mais preciso nas inspeções subsequentes.
2. Sistema de portas e projeto do invólucro
- Sistema de alimentação: Projetar a porta de alimentação, os alimentadores e o canal de alimentação para garantir que o metal fundido preencha suavemente a cavidade do molde, ao mesmo tempo em que expulsa gases e impurezas (os alimentadores devem ser posicionados no ponto mais alto ou no ponto quente da peça fundida, para facilitar a alimentação);
- Parâmetros do revestimento: Com base no peso da peça fundida (≤50 kg para peças padrão) e no ponto de fusão do material (ligas de alta temperatura exigem um revestimento mais espesso), determine o número de camadas do revestimento (3 a 7 camadas), a espessura de cada camada de revestimento (0,5 a 1,5 mm), e o tipo de material refratário (por exemplo, areia de zircão para superfícies de alta precisão, areia de corindo para requisitos de alta resistência).
Etapa 2: Modelagem e montagem do modelo em cera
1. Preparação da cera
- Ceras comuns: Liga de cera de parafina e ácido esteárico (proporção 7:3), cera de temperatura média (ponto de fusão 60-80 ℃), cera de alta temperatura (ponto de fusão 100-130 ℃, utilizada para peças fundidas de ligas de alta temperatura);
- Requisitos do processo: A cera deve ser aquecida até o estado fundido (temperatura 10 a 20 ℃ acima do ponto de fusão), agitada uniformemente e as bolhas de ar devem ser removidas (pode-se utilizar desgaseificação a vácuo).
2. Injeção de modelo em cera
- Injete a cera fundida no molde de metal a uma pressão de injeção de 0,3 a 0,8 MPa, com tempo de retenção de 10 a 30 segundos (ajuste de acordo com o tamanho do modelo de cera);
- Método de resfriamento: Resfriamento natural ou resfriamento a água. Certifique-se de que o modelo de cera esteja completamente solidificado antes de abrir o molde (para evitar deformações).
3. Acabamento e inspeção do modelo em cera:
- Remova manualmente as rebarbas e os excessos da superfície do modelo de cera e repare pequenos defeitos (como poros ou faltas de material);
- Inspeção dimensional: Utilize uma máquina de medição por coordenadas para inspecionar as dimensões-chave, a fim de garantir que as tolerâncias do modelo de cera atendam aos requisitos (normalmente, permitindo uma margem de encolhimento de 0,5 a 1,0 mm em relação à tolerância da peça fundida);
- Qualidade da superfície: Faça uma inspeção visual ou use uma lupa para verificar se não há arranhões, rachaduras ou bolhas (rugosidade da superfície).
4. Montagem do modelo em cera:
- Conecte os modelos de cera individuais aos canais de alimentação e aos canais de subida por meio de soldagem (soldagem de cera) para formar um “conjunto de modelos de cera” (por exemplo, 5 a 20 modelos de cera podem ser conectados a um canal de alimentação, ajustados de acordo com o tamanho da peça);
- Objetivo: Melhorar a eficiência da produção, reduzir o desperdício de metal durante a fundição e garantir a uniformidade da temperatura em várias peças fundidas.
Etapa 3: Preparação da casca (etapa fundamental)
A concha é o “molde” para a fundição, exigindo alta precisão, alta resistência e respirabilidade. Ela consiste em 5 etapas:
1. Pré-revestimento (primeira camada de revestimento)
- Formulação do revestimento: Material refratário de partículas finas (pó de zircão, tamanho das partículas de 10 a 20 μm) + aglutinante (sol de sílica, teor de SiO₂ de 30% a 35%) + agente umectante (para evitar o descascamento do revestimento);
- Modo de uso: Mergulhe o molde de cera no revestimento, gire-o lentamente para garantir uma cobertura uniforme da superfície e, em seguida, retire-o e escorra o excesso de revestimento;
- Função principal: Forma a superfície final da peça fundida, determinando diretamente sua precisão e rugosidade superficial. A espessura do revestimento (0,1-0,2 mm) deve ser rigorosamente controlada.
2. Aplicação de areia (primeira camada)
- Material da areia: Areia de zircão de grãos finos (malha 40-70), compatível com o material refratário da tinta pré-aplicada;
- Operação: Coloque o molde revestido com cera no equipamento de aplicação de areia (do tipo “chuva” ou de leito fluidizado) para garantir que as partículas de areia adiram uniformemente à superfície pintada;
- Objetivo: Aumentar a resistência da primeira camada de revestimento e evitar rachaduras nos revestimentos subsequentes.
3. Secagem (primeira camada)
- Condições de secagem: temperatura de 20 a 25 ℃, umidade de 40% a 60%, tempo de secagem de 4 a 8 horas (secagem natural) ou de 1 a 2 horas (secagem por ventilação forçada);
- Requisitos de qualidade: O revestimento deve estar completamente seco, sem pingos nem bolhas, e as partículas de areia devem estar firmemente aderidas à tinta.
4. Aplicação repetida de revestimento e lixamento (camadas subsequentes)
- Da segunda à penúltima camada: utilize material refratário de granulometria grossa (areia de corindo, malha 20-40) + sol de sílica. Após a aplicação, polvilhe areia de corindo com a granulometria correspondente. Cada camada deve secar por 6 a 12 horas.
- Camada final (camada de cobertura): Aplique apenas o material de revestimento, sem espalhar areia. Isso melhora as propriedades de vedação do molde e impede que o metal fundido penetre durante o vazamento.
- Número total de camadas: 3 a 7 camadas (3 a 4 camadas para peças pequenas, 5 a 7 camadas para peças grandes). Espessura total do molde: 3 a 10 mm (ajustada de acordo com o peso da peça fundida e o material).
5. Secagem final e inspeção pré-queima da carcaça do molde
- Secagem final: temperatura de 25 a 30 ℃, umidade de 30% a 50%, tempo de secagem de 12 a 24 horas, garantindo que o teor de umidade da carcaça do molde seja ≤0,5% (o excesso de umidade fará com que a carcaça do molde rache durante a fundição);
- Inspeção: Inspecione visualmente a superfície da carcaça do molde para verificar se há rachaduras, falta de areia e descascamento. Realize ensaios não destrutivos (como o ensaio por penetração), se necessário.
Etapa 4: Remoção da cera (processo de cera perdida)
1. Seleção do método de desparafinagem
- Desceramento a vapor (método comum): Coloque a carcaça do molde em uma autoclave de vapor de alta pressão, introduza vapor saturado a 0,6–1,0 MPa, mantenha a temperatura entre 160 e 180 ℃ e aguarde de 10 a 30 minutos. O modelo de cera derrete e escorre pela porta de injeção, podendo ser coletado e reutilizado (taxa de recuperação ≥80%).
- Desceriamento em alta temperatura (adequado para cera de alta temperatura ou cascas de molde complexas): Coloque a casca do molde em um forno de calcinação, aumente lentamente a temperatura até 400-600 ℃ e mantenha-a assim por 2 a 4 horas. O modelo de cera queima e se decompõe completamente, evitando que resíduos de cera afetem a qualidade da fundição.
2. Inspeção pós-desceragem
- Não há resíduos de cera na cavidade da carcaça do molde (pode-se verificar com um endoscópio), e a carcaça do molde não apresenta rachaduras nem deformações.
- Caso sejam encontrados resíduos de cera, o tempo de desparafinagem deve ser prolongado ou a temperatura aumentada; caso contrário, a carbonização da cera durante o vazamento causará porosidade e defeitos de inclusão na peça fundida.
Etapa 5: Disparo de projéteis
1. Temperatura de queima:
- 900-1100 ℃ (Ajustar de acordo com o material da fundição: aço inoxidável, aço carbono 900-950 ℃; ligas de alta temperatura e ligas de titânio 1000-1100 ℃);
- Tempo de queima: 2 a 4 horas, taxa de aquecimento de 5 a 10 ℃/minuto (para evitar rachaduras na casca devido ao choque térmico);
2. Funções principais:
- Remoção de resíduos de cera, umidade e matéria orgânica da casca;
- Aumentar a resistência da camada externa (resistência da camada externa à temperatura ambiente ≥ 20 MPa após a queima) e a permeabilidade;
- Formando uma estrutura densa na superfície do invólucro, reduzindo as reações químicas entre o metal fundido e o invólucro.
Etapa 6: Fusão e fundição de metais
1. Preparação do material metálico
- Selecionar metais puros ou ligas (por exemplo, aço inoxidável 304, liga para altas temperaturas Inconel 718) de acordo com os requisitos de fundição, garantindo que a composição do material esteja em conformidade com as normas (por exemplo, normas ASTM e EN);
- Pré-tratamento do material: Remover óleo da superfície e camada de óxido para evitar que impurezas entrem no metal fundido.
2. Fusão
- Equipamentos de fusão: forno de indução de média frequência (comumente utilizado, adequado para aço carbono, aço inoxidável e ligas de alumínio), forno de indução a vácuo (utilizado para materiais facilmente oxidáveis, como ligas de titânio e ligas de alta temperatura);
- Temperatura de fusão: 50 a 150 ℃ acima do ponto de fusão do metal (por exemplo, o ponto de fusão do aço inoxidável 304 é de 1.450 ℃, e a temperatura de fusão é de 1.500 a 1.550 ℃);
- Tratamento de refino: Adicione desoxidantes (por exemplo, liga de silício-cálcio, fio de alumínio) para remover gases e impurezas do metal fundido, garantindo a pureza do metal fundido.
Etapa 8: Pós-processamento e inspeção de qualidade
1. Remoção do sistema de canalização
- Utilize um cortador com disco abrasivo, um cortador a plasma ou um cortador por eletroerosão a fio (para requisitos de alta precisão) para remover os canais de alimentação e os canais de subida;
- Lixe as superfícies de corte até ficarem lisas para garantir uma transição suave com a superfície da peça fundida.
2. Limpeza de superfícies
- Remova rebarbas e excessos de material e lixe a areia residual e a camada de óxido da superfície da peça fundida;
- Realize jateamento (com granalha de aço ou granalha de vidro), se necessário, para melhorar o acabamento da superfície (o Ra pode ser reduzido para menos de 1,6 μm).
3. Tratamento térmico (conforme necessário)
- De acordo com os requisitos de desempenho da peça fundida, realizar recozimento, normalização, têmpera + revenimento, tratamento de solução, etc.;
- Exemplo: Tratamento de solubilização de peças fundidas de aço inoxidável 304 (manutenção na temperatura de 1.050 a 1.100 ℃ por 1 a 2 horas, resfriamento com água) para melhorar a resistência à corrosão; têmpera (850–900 ℃) + revenimento (200–300 ℃) de peças fundidas de aço para ferramentas para melhorar a dureza e a resistência ao desgaste.
4. Inspeção de qualidade e Embalagem e envio
Princípio da Fundação Suijin
Resumo do fluxo do processo de fundição por cera perdida:
Os princípios fundamentais da fundição por cera perdida giram em torno da “conformação de precisão, qualidade controlável e equilíbrio entre eficiência e custo”. Esses princípios constituem a lógica subjacente que orienta o projeto do processo, a definição de parâmetros e o controle de qualidade, além de determinarem diretamente a precisão, o desempenho, a taxa de rendimento e a eficiência econômica das peças fundidas.