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Características Críticas que Afetam o Acabamento Superficial de Fundidos
2022-10-13
A precisão dimensional com a qual os fundidos em areia podem agora ser produzidos aproximou-se da fundição de investimento. As tecnologias de impressão em areia 3-D melhoraram muito a precisão dimensional de moldes e núcleos, mas falharam em igualar a lisura da superfície de fundição de areia convencional, muito menos fundição de investimento.
A fundição de investimento fornece peças muito lisas com excelente resolução de recursos e precisão dimensional. Moldes e núcleos de areia impressos em 3-D podem fornecer uma alternativa econômica à fundição de investimento se o processo puder atender aos requisitos dimensionais e de superfície.
Embora muitas mudanças e melhorias tenham sido feitas na área de consumíveis de fundição, a areia é o único material que permaneceu relativamente constante. Após a mineração e lavagem, se necessário, as areias de fundição são classificadas em grupos individuais ou de duas malhas e armazenadas. Eles são combinados em distribuições normais para envio ao cliente da fundição. Embora existam muitas distribuições de minas diferentes, a areia com número de finura de grão AFS semelhante é fornecida em distribuições semelhantes. O acabamento da superfície é parte integrante das especificações de qualidade da fundição. Acabamentos superficiais internos irregulares em peças fundidas podem causar perda de eficiência tanto para fluidos quanto para gases de alta velocidade. É o caso dos componentes do turbocompressor e do coletor de admissão. A University of Northern Iowa tem investigado as características do material do molde que afetam a lisura da superfície para peças fundidas. A pesquisa foi realizada em fundidos de alumínio, mas tem aplicações e relevância em ligas ferrosas que não apresentam defeitos como penetração ou defeitos de areia fundida. O estudo investiga a influência das características do meio de moldagem, como finura da areia, tipo de material e seleção do revestimento refratário. O objetivo do projeto era realizar acabamentos superficiais de fundição de cera perdida em peças fundidas em areia.
Resultados de permeabilidade e área de superfície
A permeabilidade do AFS é definida como a quantidade de tempo que leva para um volume conhecido de ar passar por uma amostra padrão a uma altura de 10 cm de água. Simplificando, a permeabilidade do AFS representa a quantidade de espaços abertos entre os grãos do agregado que permitem a passagem do ar. O GFN de um material altera significativamente a permeabilidade até 80 GFN, onde a tendência parece se estabilizar.
Os dados mostram que a mesma rugosidade de superfície pode ser alcançada com qualquer formato de partícula em taxas diferentes. Os materiais de grãos esféricos e redondos melhoram a suavidade da fundição a uma taxa acelerada em comparação com os agregados angulares e subangulares.
Resultados do ângulo de contato do gálio
As medições do ângulo de contato foram realizadas para medir a molhabilidade relativa dos agregados de moldagem ligados com metal líquido usando um teste de gálio líquido. As areias cerâmicas tiveram o maior ângulo de contato, enquanto o zircão e a olivina compartilharam um menor ângulo de contato semelhante. O gálio exibiu comportamento hidrofóbico em todas as superfícies de areia. Um AFS-GFN semelhante foi usado para todas as amostras. Os resultados indicam que o ângulo de contato para os tipos de areia depende muito da forma do grão agregado conforme mostrado no eixo secundário, em vez do material de base. As areias cerâmicas tiveram a forma mais arredondada e as areias olivinas exibiram uma forma altamente angular. Embora a molhabilidade da superfície do agregado de base possa desempenhar um papel no acabamento da superfície de fundição, a faixa de medições do ângulo de contato na série de testes foi subordinada à forma do grão.
Resultados de Rugosidade da Superfície de Fundições de Teste
Os resultados da rugosidade da superfície foram medidos usando um perfilômetro de contato. Houve uma melhora significativa na lisura da superfície da sílica 44 GFN de três telas para a sílica 67 GFN de quatro telas. Mudanças além de 67 GFN não mostraram impacto na rugosidade da superfície, apesar da variação na largura de distribuição. O valor limite de 185 RMS é observado.
Uma grande melhoria na lisura pode ser observada entre os materiais 101 e 106 GFN. A areia 106 GFN tem mais de 17% a mais de 200 mesh na distribuição da tela. Os materiais 115 e 118 GFN de tela dupla resultaram em uma diminuição na suavidade. A areia 143 GFN resultou em leituras semelhantes ao zircônio 106 GFN. O valor limite é 200 RMS.
Uma melhoria constante na lisura da superfície foi observada da cromita 49 GFN de quatro telas para a cromita 73 GFN de três telas, apesar da distribuição de partículas se tornar mais estreita. Um aumento de 19% na retenção da tela de malha 140 foi observado na cromita 73 GFN em comparação com a 49 GFN. Um aumento significativo na suavidade de fundição foi mostrado das areias de cromita 73 GFN de três telas para as areias de cromita 77 GFN de quatro telas, independentemente de seus números de finura de grão semelhantes. Nenhuma alteração na lisura foi observada entre os materiais de cromita 77 GFN e 99 GFN. Curiosamente, as duas areias compartilharam uma retenção muito semelhante na tela de 200 mesh. O valor limite é 250 RMS.
Há uma melhoria significativa na suavidade de fundição da olivina 78 GFN para a olivina 84 GFN, apesar da distribuição mais estreita. Um aumento de 15% de retenção na tela de 140 mesh foi visível na olivina 84 GFN. Há significância entre a olivina GFN 84 e 85. A olivina 85 GFN melhorou a suavidade em 50. A olivina 85 GFN é uma areia de três telas com quase 10% de retenção na tela de malha 200, enquanto a olivina 84 GFN é simplesmente um material de duas telas. Uma melhoria constante na maciez pode ser observada da olivina 85 GFN para a olivina 98 GFN. A distribuição da tela mostra um aumento de 5% de retenção na tela de malha 200. Nenhuma mudança foi observada da olivina 98 GFN para a 114 GFN, apesar de um aumento na retenção de 200 mesh de quase 7%.
Um valor limite de 244 RMS pode ser observado.
Os resultados de rugosidade superficial para os fundidos obtidos a partir de núcleos cerâmicos mostram ligeira melhora entre os materiais 32 GFN e 41 GFN. Houve um aumento na retenção da tela 70 mesh em 34% na areia 41 GFN. Um aumento significativo na lisura foi observado entre as cerâmicas 41 GFN e 54 GFN. O material 54 GFN teve mais de 19% de retenção maior na tela de 100 mesh em comparação com o material 41 GFN. Esta melhoria ocorreu apesar do estreitamento da distribuição no material 54 GFN. O maior impacto nos resultados cerâmicos foi observado entre as areias 54 GFN e 68 GFN. A areia 68 GFN teve retenção 15% maior na tela de 140 mesh, o que ampliou a distribuição. Apesar de um aumento de mais de 40% de retenção na tela de 140 mesh, pouca melhora foi observada entre os materiais 68 GFN e 92 GFN. O valor limite é 236 RMS.
As superfícies geradas pelas areias impressas em 3D são significativamente mais ásperas do que uma superfície de areia compactada usando o mesmo agregado. As amostras impressas na orientação XY forneceram a superfície de fundição de teste mais lisa, enquanto as impressas na orientação XZ e YZ resultaram na mais áspera.
A areia de sílica 83 GFN não revestida com sílica compactada resultou em um valor de rugosidade de 185 RMS. Embora os fundidos parecessem mais lisos, os revestimentos refratários aumentaram a rugosidade da superfície medida pelo perfilômetro. O revestimento de alumina à base de álcool exibiu o melhor desempenho, enquanto o revestimento de zircônio à base de álcool resultou na maior rugosidade. As 83 amostras impressas em 3D GFN mostraram o efeito oposto. Enquanto a amostra não revestida imprimiu na orientação mais favorável de XY, a amostra não revestida exibiu uma rugosidade de fundição de 943 RMS. Os revestimentos suavizaram a superfície substancialmente do acabamento da superfície não revestida de um mínimo de 339 para um máximo de 488 RMS. Parece que o acabamento superficial das areias revestidas é um tanto independente da rugosidade da areia do substrato e depende fortemente da formulação do revestimento refratário. A areia impressa em 3D, embora comece com um acabamento superficial muito mais áspero, pode ser melhorada significativamente com o uso de revestimentos refratários.
Conclusões
Os agregados de moldagem atualmente disponíveis têm a capacidade de atingir valores de rugosidade de superfície inferiores a 200 micropolegadas RMS. Esses valores estão ligeiramente dentro dos valores associados a fundições de investimento. Para os materiais testados, cada um exibiu uma diminuição na rugosidade da fundição com o aumento da finura de grão do agregado AFS. Isso foi verdade com todos os materiais até um valor limite, momento em que nenhuma diminuição adicional na rugosidade da fundição foi observada com o aumento do AFS-GFN. Isso foi apoiado por pesquisas realizadas anteriormente.
Dentro de todos os grupos de materiais, o efeito do AFS-GFN foi secundário tanto para a área superficial calculada quanto para a permeabilidade agregada. Embora a permeabilidade possa ser pensada para descrever as áreas abertas da areia compactada, a área da superfície descreve melhor a distribuição da tela da areia e a quantidade correspondente de partículas finas. Tanto a permeabilidade quanto a área superficial estão diretamente relacionadas com a lisura da superfície fundida. Deve-se notar que isso foi verdade para agregados dentro de um grupo de formas. Embora os agregados angulares e subangulares tivessem grandes áreas superficiais, sua permeabilidade era alta e indicava uma superfície aberta. Agregados esféricos e arredondados exibiram as superfícies mais lisas combinando baixa permeabilidade com alta área superficial.
Originalmente, acreditava-se que a molhabilidade da superfície, medida pelo ângulo de contato entre o metal líquido e o agregado ligado, era um fator crítico no acabamento superficial da fundição resultante. Embora tenha sido demonstrado que o ângulo de contato em vários materiais em AFS-GFN semelhante não era proporcional à rugosidade da fundição, foi confirmado que a forma do grão era um fator importante. A ausência de uma relação entre o ângulo de contato e a rugosidade da superfície fundida pode ser explicada pelo fato de que a forma do grão foi vista como uma grande influência na rugosidade da superfície. Existe uma possibilidade significativa de que o ângulo de contato de vários materiais tenha sido afetado mais pela forma do grão e pela lisura da superfície resultante do que pela molhabilidade do material sozinho.
A fundição de investimento fornece peças muito lisas com excelente resolução de recursos e precisão dimensional. Moldes e núcleos de areia impressos em 3-D podem fornecer uma alternativa econômica à fundição de investimento se o processo puder atender aos requisitos dimensionais e de superfície.
Embora muitas mudanças e melhorias tenham sido feitas na área de consumíveis de fundição, a areia é o único material que permaneceu relativamente constante. Após a mineração e lavagem, se necessário, as areias de fundição são classificadas em grupos individuais ou de duas malhas e armazenadas. Eles são combinados em distribuições normais para envio ao cliente da fundição. Embora existam muitas distribuições de minas diferentes, a areia com número de finura de grão AFS semelhante é fornecida em distribuições semelhantes. O acabamento da superfície é parte integrante das especificações de qualidade da fundição. Acabamentos superficiais internos irregulares em peças fundidas podem causar perda de eficiência tanto para fluidos quanto para gases de alta velocidade. É o caso dos componentes do turbocompressor e do coletor de admissão. A University of Northern Iowa tem investigado as características do material do molde que afetam a lisura da superfície para peças fundidas. A pesquisa foi realizada em fundidos de alumínio, mas tem aplicações e relevância em ligas ferrosas que não apresentam defeitos como penetração ou defeitos de areia fundida. O estudo investiga a influência das características do meio de moldagem, como finura da areia, tipo de material e seleção do revestimento refratário. O objetivo do projeto era realizar acabamentos superficiais de fundição de cera perdida em peças fundidas em areia.
Resultados de permeabilidade e área de superfície
A permeabilidade do AFS é definida como a quantidade de tempo que leva para um volume conhecido de ar passar por uma amostra padrão a uma altura de 10 cm de água. Simplificando, a permeabilidade do AFS representa a quantidade de espaços abertos entre os grãos do agregado que permitem a passagem do ar. O GFN de um material altera significativamente a permeabilidade até 80 GFN, onde a tendência parece se estabilizar.
Os dados mostram que a mesma rugosidade de superfície pode ser alcançada com qualquer formato de partícula em taxas diferentes. Os materiais de grãos esféricos e redondos melhoram a suavidade da fundição a uma taxa acelerada em comparação com os agregados angulares e subangulares.
Resultados do ângulo de contato do gálio
As medições do ângulo de contato foram realizadas para medir a molhabilidade relativa dos agregados de moldagem ligados com metal líquido usando um teste de gálio líquido. As areias cerâmicas tiveram o maior ângulo de contato, enquanto o zircão e a olivina compartilharam um menor ângulo de contato semelhante. O gálio exibiu comportamento hidrofóbico em todas as superfícies de areia. Um AFS-GFN semelhante foi usado para todas as amostras. Os resultados indicam que o ângulo de contato para os tipos de areia depende muito da forma do grão agregado conforme mostrado no eixo secundário, em vez do material de base. As areias cerâmicas tiveram a forma mais arredondada e as areias olivinas exibiram uma forma altamente angular. Embora a molhabilidade da superfície do agregado de base possa desempenhar um papel no acabamento da superfície de fundição, a faixa de medições do ângulo de contato na série de testes foi subordinada à forma do grão.
Resultados de Rugosidade da Superfície de Fundições de Teste
Os resultados da rugosidade da superfície foram medidos usando um perfilômetro de contato. Houve uma melhora significativa na lisura da superfície da sílica 44 GFN de três telas para a sílica 67 GFN de quatro telas. Mudanças além de 67 GFN não mostraram impacto na rugosidade da superfície, apesar da variação na largura de distribuição. O valor limite de 185 RMS é observado.
Uma grande melhoria na lisura pode ser observada entre os materiais 101 e 106 GFN. A areia 106 GFN tem mais de 17% a mais de 200 mesh na distribuição da tela. Os materiais 115 e 118 GFN de tela dupla resultaram em uma diminuição na suavidade. A areia 143 GFN resultou em leituras semelhantes ao zircônio 106 GFN. O valor limite é 200 RMS.
Uma melhoria constante na lisura da superfície foi observada da cromita 49 GFN de quatro telas para a cromita 73 GFN de três telas, apesar da distribuição de partículas se tornar mais estreita. Um aumento de 19% na retenção da tela de malha 140 foi observado na cromita 73 GFN em comparação com a 49 GFN. Um aumento significativo na suavidade de fundição foi mostrado das areias de cromita 73 GFN de três telas para as areias de cromita 77 GFN de quatro telas, independentemente de seus números de finura de grão semelhantes. Nenhuma alteração na lisura foi observada entre os materiais de cromita 77 GFN e 99 GFN. Curiosamente, as duas areias compartilharam uma retenção muito semelhante na tela de 200 mesh. O valor limite é 250 RMS.
Há uma melhoria significativa na suavidade de fundição da olivina 78 GFN para a olivina 84 GFN, apesar da distribuição mais estreita. Um aumento de 15% de retenção na tela de 140 mesh foi visível na olivina 84 GFN. Há significância entre a olivina GFN 84 e 85. A olivina 85 GFN melhorou a suavidade em 50. A olivina 85 GFN é uma areia de três telas com quase 10% de retenção na tela de malha 200, enquanto a olivina 84 GFN é simplesmente um material de duas telas. Uma melhoria constante na maciez pode ser observada da olivina 85 GFN para a olivina 98 GFN. A distribuição da tela mostra um aumento de 5% de retenção na tela de malha 200. Nenhuma mudança foi observada da olivina 98 GFN para a 114 GFN, apesar de um aumento na retenção de 200 mesh de quase 7%.
Um valor limite de 244 RMS pode ser observado.
Os resultados de rugosidade superficial para os fundidos obtidos a partir de núcleos cerâmicos mostram ligeira melhora entre os materiais 32 GFN e 41 GFN. Houve um aumento na retenção da tela 70 mesh em 34% na areia 41 GFN. Um aumento significativo na lisura foi observado entre as cerâmicas 41 GFN e 54 GFN. O material 54 GFN teve mais de 19% de retenção maior na tela de 100 mesh em comparação com o material 41 GFN. Esta melhoria ocorreu apesar do estreitamento da distribuição no material 54 GFN. O maior impacto nos resultados cerâmicos foi observado entre as areias 54 GFN e 68 GFN. A areia 68 GFN teve retenção 15% maior na tela de 140 mesh, o que ampliou a distribuição. Apesar de um aumento de mais de 40% de retenção na tela de 140 mesh, pouca melhora foi observada entre os materiais 68 GFN e 92 GFN. O valor limite é 236 RMS.
As superfícies geradas pelas areias impressas em 3D são significativamente mais ásperas do que uma superfície de areia compactada usando o mesmo agregado. As amostras impressas na orientação XY forneceram a superfície de fundição de teste mais lisa, enquanto as impressas na orientação XZ e YZ resultaram na mais áspera.
A areia de sílica 83 GFN não revestida com sílica compactada resultou em um valor de rugosidade de 185 RMS. Embora os fundidos parecessem mais lisos, os revestimentos refratários aumentaram a rugosidade da superfície medida pelo perfilômetro. O revestimento de alumina à base de álcool exibiu o melhor desempenho, enquanto o revestimento de zircônio à base de álcool resultou na maior rugosidade. As 83 amostras impressas em 3D GFN mostraram o efeito oposto. Enquanto a amostra não revestida imprimiu na orientação mais favorável de XY, a amostra não revestida exibiu uma rugosidade de fundição de 943 RMS. Os revestimentos suavizaram a superfície substancialmente do acabamento da superfície não revestida de um mínimo de 339 para um máximo de 488 RMS. Parece que o acabamento superficial das areias revestidas é um tanto independente da rugosidade da areia do substrato e depende fortemente da formulação do revestimento refratário. A areia impressa em 3D, embora comece com um acabamento superficial muito mais áspero, pode ser melhorada significativamente com o uso de revestimentos refratários.
Conclusões
Os agregados de moldagem atualmente disponíveis têm a capacidade de atingir valores de rugosidade de superfície inferiores a 200 micropolegadas RMS. Esses valores estão ligeiramente dentro dos valores associados a fundições de investimento. Para os materiais testados, cada um exibiu uma diminuição na rugosidade da fundição com o aumento da finura de grão do agregado AFS. Isso foi verdade com todos os materiais até um valor limite, momento em que nenhuma diminuição adicional na rugosidade da fundição foi observada com o aumento do AFS-GFN. Isso foi apoiado por pesquisas realizadas anteriormente.
Dentro de todos os grupos de materiais, o efeito do AFS-GFN foi secundário tanto para a área superficial calculada quanto para a permeabilidade agregada. Embora a permeabilidade possa ser pensada para descrever as áreas abertas da areia compactada, a área da superfície descreve melhor a distribuição da tela da areia e a quantidade correspondente de partículas finas. Tanto a permeabilidade quanto a área superficial estão diretamente relacionadas com a lisura da superfície fundida. Deve-se notar que isso foi verdade para agregados dentro de um grupo de formas. Embora os agregados angulares e subangulares tivessem grandes áreas superficiais, sua permeabilidade era alta e indicava uma superfície aberta. Agregados esféricos e arredondados exibiram as superfícies mais lisas combinando baixa permeabilidade com alta área superficial.
Originalmente, acreditava-se que a molhabilidade da superfície, medida pelo ângulo de contato entre o metal líquido e o agregado ligado, era um fator crítico no acabamento superficial da fundição resultante. Embora tenha sido demonstrado que o ângulo de contato em vários materiais em AFS-GFN semelhante não era proporcional à rugosidade da fundição, foi confirmado que a forma do grão era um fator importante. A ausência de uma relação entre o ângulo de contato e a rugosidade da superfície fundida pode ser explicada pelo fato de que a forma do grão foi vista como uma grande influência na rugosidade da superfície. Existe uma possibilidade significativa de que o ângulo de contato de vários materiais tenha sido afetado mais pela forma do grão e pela lisura da superfície resultante do que pela molhabilidade do material sozinho.
Tal como acontece com todos os instrumentos de medição, os artefactos do método de teste podem influenciar os resultados até certo ponto. O aumento da rugosidade dos fundidos, embora visualmente os fundidos pareçam mais lisos com a aplicação do revestimento refratário, pode ser devido ao formato dos picos e vales criados com os revestimentos. Por definição e medição, os revestimentos refratários apenas aumentaram a rugosidade da superfície em amostras não revestidas. Todos os revestimentos refratários tiveram muito sucesso em melhorar a rugosidade da superfície das areias impressas em 3-D. Parecia que o acabamento superficial das peças fundidas de teste das amostras revestidas era um tanto independente da areia do substrato inicial. Os revestimentos tiveram um efeito importante no acabamento da superfície, mas é necessário mais trabalho para revisar os revestimentos para melhorar os acabamentos da fundição.
Editado por Santos Wang da Ningbo Zhiye Mechanical Components Co.,Ltd.
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