Interação Metal-Cerâmica no vazamento de aços no processo ......Interação Metal-Cerâmica no Processo de Fundição por Cera Perdida iii Resumo Este trabalho tem como objetivo

Interação Metal-Cerâmica no vazamento de aços no

processo de Fundição por Cera Perdida

José António Nogueira Pinto Pereira

Dissertação de Mestrado

Orientador na FEUP: Prof. Rui Jorge de Lemos Neto

Co-orientador na FEUP: Profª Teresa Margarida Guerra Pereira Duarte

Orientador na empresa: Engº Rui Manuel Carvalho Félix

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Junho de 2017

Interação Metal-Cerâmica no Processo de Fundição por Cera Perdida

ii


iii

Resumo

Este trabalho tem como objetivo o estudo da interação entre o metal e a moldação cerâmica no

processo de fundição por cera perdida no vazamento de aços. Isto surge na sequência do

aparecimento de um defeito superficial nas peças metálicas. Este defeito incide

maioritariamente em peças com elevadas espessuras/massividades. Assim sendo, este facto

poderá estar relacionado com as elevadas temperaturas que se atingem na carapaça após o

vazamento, que despoleta uma maior interação entre o metal e a cerâmica.

Ao longo deste projeto, foram testados vários parâmetros do processo. Inicialmente,

relacionados com o sector da fusão: temperatura de vazamento, temperatura de pré-

aquecimento da moldação e condições de arrefecimento (atmosfera envolvente e velocidade de

arrefecimento). De seguida, parâmetros relacionados com o sector da cerâmica: espessura e tipo

de areia utilizada na primeira camada. Foram também analisadas ao microscópio eletrónico

duas peças iguais com qualidade superficial distinta. Realizaram-se análises de e Raios-X e de

Fluorescência de Raios-X à areia de zircão, para testar a existência de impurezas neste material.

Para enriquecer este trabalho de investigação foi ainda produzida uma moldação com materiais

de outra empresa.

Após a análise dos resultados e depois de se ter verificado uma oscilação na qualidade

superficial das peças, chegou-se à conclusão que o principal factor que estaria a originar uma

interação metal cerâmica mais forte eram impurezas na areia de zircão utilizada na primeira

camada da moldação.

iv

Metal/Mould Interaction on Investment Casting Process

Abstract

The aim of this work was to study metal/mould interaction at steel pouring in investment casting

process. This results in a superficial defect in the metal parts. This defect affects mainly parts

with high thicknesses/massivities. Therefore, it can be related to the high temperatures that

mould reaches after pouring. This promoves a greater metal/mould interaction.

Throughout this study, several process parameters were tested. Initially at the open air melting

sector: pouring temperature, mould pre-heating temperature and cooling conditions

(surrounding atmosphere and cooling rate). Then, parameters related with ceramic sector were

tested too: thickness and type of sand used in the first layer, and silicon carbides utilization.

Two equal pieces with different surface quality were also analyzed under the electron

microscope. To test the presence of impurities in the zircon sand, were performed analyzes X-

Ray Diffraction and X-Ray Fluorescence. In order to enrich this work, it was been used a

material from another company too. After analysis of the results and after an oscilation in the

surface quality of the metal parts, it was concluded that the main factor that would be giving

rise to a stronger mould/metal interaction were impurities in the zircon sand used in the first

molding layer.

v

Agradecimentos

Ao Eng.º Rui Neto, orientador na FEUP, pelo privilégio em poder aprender e trabalhar consigo

e pela atenção que sempre me prestou. Foi uma honra ter estado mais próximo de si e ter

contacto com todo o seu conhecimento e principalmente com a sua simplicidade e humildade.

À Prof.ª Teresa Duarte por toda a disponibilidade e acompanhamento permanentes. A

proximidade com que trata os alunos é excepcional.

Aos meus orientadores na empresa, Eng.º Pedro Rocha, Eng.º Bruno Rodrigues e Eng.º Rui

Félix, pela forma como me receberam e facilitaram a integração na empresa. Agradeço também

ao Eng.º Miguel Ribeiro. Pela partilha de conhecimento e por colocarem todos os recursos à

minha disposição.

À Zollern & Comandita, pela oportunidade de contactar com o ambiente empresarial. A todos

os seus colaboradores, e, em especial, ao Sr. Luís Batista, Sr. João Pires e à Sr.ª Fátima Brás.

Ao Inegi e aos seus colaboradores com quem trabalhei diretamente, Engº Rui Soares e Sr. Hugo

Ribeiro, por me terem facultado todas as condiçoes para a realizaçao dos ensaios.

À Dr.ª Susana Olhero, da Universidade de Aveiro, por possibilitar a realização de algumas

análises a materiais e pela partilha de conhecimento.

A todos os meus amigos que fizeram com que tivesse vários momentos de escape, dando-me

força e motivação para continuar.

À Diana pelo carinho e paciência com que me acompanhou diariamente e me apoiou nos

momentos mais dificeis.

Aos meus pais e a minha irmã, dirijo um agradecimento especial pelo apoio incondicional,

incentivo, amizade e paciência demonstrados. Pela ajuda na superação das dificuldades que

foram surgindo. A eles dedico este trabalho.

Por fim, agradeço ao projeto NORTE-01-0145-FEDER-000022 – SciTech – Science and

Technology for Competitive and Sustainable Industries, co-financiado pelo Programa

Operacional Regional do Norte (NORTE2020), através Fundo Europeu de Desenvolvimento

Regional (FEDER).

vi

Índice de Conteúdos

1 Introdução .................................................................................................................. 1

1.1 Objetivos ................................................................................................................... 1

1.2 Enquadramento do projeto e motivação .................................................................... 1

1.3 Apresentação da Empresa – Zollern & Comandita ................................................... 2

1.4 Estrutura da dissertação ............................................................................................. 2

1ª Parte - Revisão Bibliográfica

2 Processo de Fundição por Cera Perdida .................................................................... 3

2.1 Produção dos Modelos .............................................................................................. 4

2.2 Carapaças Cerâmicas................................................................................................. 6

2.3 Refratários ............................................................................................................... 10

2.4 Descerificação ......................................................................................................... 21

2.5 Sinterização ............................................................................................................. 21

2.6 Preparação da Moldação ......................................................................................... 22

2.7 Fusão e Vazamento ................................................................................................. 22

2.8 Acabamentos ........................................................................................................... 24

2.9 Interação metal-cerâmica ........................................................................................ 25

3 Defeitos associados ao processo de fundição por cera perdida ............................... 29

3.1 Mal Ligado – “Cold Shut” ...................................................................................... 29

3.2 Porosidades ............................................................................................................. 29

3.3 Escória (“Slag”) ...................................................................................................... 31

3.4 Fissuração a quente (“Hot tears”) ............................................................................ 31

3.5 Inclusões .................................................................................................................. 32

3.6 Inclusões Cerâmicas ................................................................................................ 32

3.7 Metal excessivo devido a falha da carapaça ............................................................ 33

3.8 Fratura da moldação (“Mold Cracking”)................................................................. 34

3.9 Mal-cheio (“Non-Fill/Misrun”) ............................................................................... 34

3.10 Rabo de rato (“Rat tail”).......................................................................................... 35

vii

3.11 Contrações nas superfícies – Rechupes (“Shrinkage”) ........................................... 35

3.12 Pitting ...................................................................................................................... 36

3.13 Defeito superficial “Sandpaper” .............................................................................. 36

3.14 Grãos (“Pimples”) ................................................................................................... 37

3.15 “Burnin” ou “Burnon” ............................................................................................. 37

3.16 Manchas Escuras ..................................................................................................... 38

2ª Parte - Procedimento Experimental, Apresentação de Resultados e sua

Discussão

4 O problema a ser investigado - defeito superficial .................................................. 39

4.1 O fabrico das moldações ......................................................................................... 41

5 Análises e ensaios realizados no setor da Fusão ...................................................... 45

5.1 Impacto da temperatura de vazamento na composição química ............................. 45

5.2 Impacto da temperatura de vazamento e das condições de arrefecimento .............. 46

5.3 Impacto da temperatura de pré-aquecimento da moldação ..................................... 48

5.4 Efeito da atmosfera redutora durante o arrefecimento ............................................ 49

5.5 Impacto da velocidade de arrefecimento ................................................................. 51

5.6 Impacto do tipo de atmosfera envolvente................................................................ 52

6 Análise de 2 peças com qualidade superficial distinta ............................................ 55

6.1 Composição química e observação ao microscópio ótico ....................................... 56

6.2 Observação ao microscópio eletrónico (SEM) das superfícies metálicas ............... 56

6.3 Observação ao microscópio eletrónico de duas moldações (ZCP e ZGT) .............. 60

6.4 Análise de impurezas e da cristalinidade da Farinha e da Areia de Zircão ............. 73

7 Análises e ensaios realizados no sector da Cerâmica .............................................. 81

7.1 Variaçao da espessura da 1ªcamada ........................................................................ 81

7.2 Utilização de Carboneto de Silício na última camada da moldação ....................... 83

7.3 Revestimento com materiais INEGI ....................................................................... 83

7.4 Utilização de Alumina na 1ª ou na 2ª camada ......................................................... 84

7.5 Resultados ............................................................................................................... 84

8 Conclusões e perspetivas de trabalho futuro ............................................................ 89

viii

8.1 Conclusões .............................................................................................................. 89

8.2 Trabalhos Futuros .................................................................................................... 90

Referências ................................................................................................................... 91

ANEXO A: Resultados XRD da Areia de Zircao (INEGI e Zollern) .......................... 93

ANEXO B: Composições Químicas de duas amostras (ZCP e ZGT) .......................... 94

ix

Índice de Figuras

Figura 1: Diagrama de Ellingham (Ellingham 1944) ................................................................. 8

Figura 2: Estrutura química do zircão (Leal-Ayala et al. 2015) ............................................... 10

Figura 3: Expansão linear de refratários frequentemente utilizados em “investment casting”

(Prasad 2012) ............................................................................................................................ 15

Figura 4: Formação de sílica gel versus precipitação (Duarte et al. 2004) .............................. 16

Figura 5: Boilerclave e a sua vista em corte (Pickard 2010) .................................................... 21

Figura 6: Filtros cerâmicos (Brown 1994) ............................................................................... 23

Figura 7: Variação da temperatura na secção da moldação de uma peça de 5 kg (Jones 1993)

.................................................................................................................................................. 27

Figura 8: Variação da temperatura na secção da moldação de uma peça de 60kg (Jones 1993)

.................................................................................................................................................. 28

Figura 9: Esquematização e exemplo real de uma descontinuidade causada por falta de fusão

(Moreira 2014) .......................................................................................................................... 29

Figura 10: Esquematização e exemplo real com poros devido à retenção de ar (Moreira 2014)

.................................................................................................................................................. 30

Figura 11: Bolhas resultantes da má queima da moldação (“pinholes”) (Bijvoet 2005) ......... 30

Figura 12: Esquematização e exemplo real das cavidades com formato esférico, podendo conter

marcas de oxidação (“blowholes-gas”) (Moreira 2014) ........................................................... 30

Figura 13: Esquematização e exemplo real das cavidades devido à presença de escória (Moreira

2014) ......................................................................................................................................... 31

Figura 14: Esquematização e exemplo real de uma peça com uma fissura a quente (Moreira

2014) ......................................................................................................................................... 32

Figura 15: Esquematização e exemplo real de uma peça com inclusões (Moreira 2014) ........ 32

Figura 16: Esquematização e exemplo real de uma peça com inclusões cerâmicas (Moreira

2014) ......................................................................................................................................... 33

Figura 17: Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos de excesso de metal

(Moreira 2014) .......................................................................................................................... 33

x

Figura 18: Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos derivados da fratura da

carapaça (Moreira 2014) ........................................................................................................... 34

Figura 19: Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos derivados do mau

enchimento (Moreira 2014) ...................................................................................................... 34

Figura 20: Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos derivados do abatimento

da camada primária (Moreira 2014) ......................................................................................... 35

Figura 21: Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos de contração na superfície

(Moreira 2014) .......................................................................................................................... 35

Figura 22: Exemplos reais de peças com defeito “pitting” (Bijvoet 2005) .............................. 36

Figura 23: Exemplo de uma superfície com defeito “sandpaper” (Bijvoet 2005) .................... 36

Figura 24: Exemplo real de uma peça com defeitos derivados da penetração de metal na

carapaça (Bijvoet 2005) ............................................................................................................ 37

Figura 25: Exemplo real de uma peça com defeito “burnin” (Bijvoet 2005) ........................... 37

Figura 26: Exemplo de uma peça com manchas escuras (Bijvoet 2005) ................................. 38

Figura 27: Exemplo de uma peça (Peça A) da produção atual com espessuras de cerca de 20mm

(Março de 2017) ....................................................................................................................... 39

Figura 28: Peça A da produção do ano de 2005 (arquivo morto da Zollern) ........................... 40

Figura 29: Esquema/resumo do procedimento experimental desenvolvido durante o projeto. 43

Figura 30: Peça B (dimensões aproximadas: 40x40x20mm) ................................................... 45

Figura 31: Cacho metálico do provete (espessuras mínima e máxima de 5 e 15 mm,

respetivamente) ......................................................................................................................... 47

Figura 32: Superfície de uma das peças do 1º provete ............................................................. 49



Figura 35: Gráfico de distribuição de classes para atmosfera rica em monóxido de carbono de

228 peças (90g de cera) ............................................................................................................ 50

Figura 36: Diferentes classes consoante a incidência do defeito de pele ................................. 50

Figura 37: Classes 1 (“Muito Boas”) e 4 (“Más”) em diferentes zonas da peça ...................... 51

Figura 38: Gráfico de distribuição de classes para arrefecimento mais rápido de 217 peças .. 52

xi

Figura 39: Gráfico de distribuição de classes para atmosfera rica em carbono de 214 peças (240g

de cera) ..................................................................................................................................... 52

Figura 40: Gráfico de distribuição de classes para atmosfera inerte de azoto de 221 peças .... 52

Figura 41: Peça C cuja moldação foi produzida na ZCP, com maior defeito de pele .............. 55

Figura 42: Peça C produzida na ZGT com boa qualidade superficial ...................................... 55

Figura 43: Microestrutura ZCP, numa zona perto da superfície com defeito de pele .............. 55

Figura 44: Microestrutura ZCP à superfície ............................................................................. 55

Figura 45: Microestrutura ZCP após ataque ............................................................................. 55

Figura 46: Microestrutura ZGT, numa zona perto da superfície com defeito de pele ............. 55

Figura 47: Microestrutura ZGT à superfície............................................................................. 55

Figura 48: Microestrutura ZGT após ataque ............................................................................ 55

Figura 49: Micrografia em SEM da amostra metálica ZCP à superfície ................................. 57

Figura 50: Micrografia em SEM da amostra metálica ZCP à superfície ................................. 57

Figura 51 Espectro da Zona 2 da superfície metálica da amostra ZCP .................................... 58

Figura 52: Espectro da Zona 3 da superfície metálica da amostra ZCP ................................... 58

Figura 53: Micrografia em SEM da amostra metálica ZGT à superfície ................................. 59

Figura 54: Micrografia em SEM da amostra metálica ZGT à superfície ................................. 59

Figura 55: Espectro da Zona 2 da superfície metálica da amostra ZGT .................................. 60

Figura 56: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZCP em corte ......................... 61



Figura 59: Espectro da Zona 1 da amostra da carapaça ZCP em corte .................................... 62



Figura 62: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZGT em corte ......................... 64



xii

Figura 65: Espectro da Zona 1 da amostra da carapaça ZGT em corte .................................... 65





Figura 70: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZCP à superfície .................... 68




Figura 74: Espectro da Zona 1 da amostra da carapaça ZCP à superfície ................................ 70

Figura 75: Espectro da Zona 2 da amostra da carapaça ZCP à superfície ................................ 70

Figura 76: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZGT à superfície .................... 71


Figura 78:Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZGT à superfície ..................... 72


Figura 80: Exemplo de um padrão obtido da mistura de várias fases por difração de raios-X

(Speakman) ............................................................................................................................... 74

Figura 81: Resultado XRD da areia de zircão do INEGI ......................................................... 76

Figura 82: Resultado XRD da areia de zircão da Zollern (não moída) .................................... 76

Figura 83: Resultado XRD da areia de zircão da Zollern (moída) ........................................... 77

Figura 84: Fotografia da superfície do tarugo 1.1 .................................................................... 82




Figura 88: Carapaça com última camada em carbonetos de silício .......................................... 83

Figura 89: (a) cacho em cera; (b) após aplicação da 1ª camada do revestimento; (c) moldação

final ........................................................................................................................................... 84

xiii

Figura 90: Fotografia do cacho ainda com o sistema de alimentação ...................................... 85

Figura 91: Fotografias da superfície das peças do cacho com procedimento normal: (a) posição

1, (b) posição 2, (c) posição 3, (d) posição 4 ............................................................................ 86

Figura 92: Ensaio com areia de alumina na 1ª camada (Secção 7.4) ....................................... 86

Figura 93: Ensaio com areia de alumina na 2ª camada (Secção 7.4) ....................................... 87

Figura 94: Ensaio com materiais do INEGI (Secção 7.3) ........................................................ 87

Figura 95: Ensaio com última camada em carboneto de silício (Secção 7.2) .......................... 87

Figura 96: Peça depois da grenalhagem em aço (ensaio com areia de alumina na 1ª camada) 88

Figura 97: Peça depois da grenalhagem em aço (obtida pelo procedimento standard) ............ 88

Figura 98: Resultado XRD da farinha de zircão da Zollern ..................................................... 93

Figura 99: Resultado XRD da farinha de zircão do INEGI ...................................................... 93

Figura 100: Composição química de uma amostra de uma peça da ZGT obtida por

espectrometria ........................................................................................................................... 94

Figura 101: Composição química de uma amostra de uma peça da ZGT obtida por

espectrometria ........................................................................................................................... 94

xiv

Índice de Tabelas

Tabela 1: Resumo das propriedades térmicas de diferentes cerâmicos (Barrigana 2013) ......... 7

Tabela 2: Composição química e propriedades físicas da areia de zircão (Pirkle and Podmeyer

1993) ......................................................................................................................................... 12

Tabela 3: Comparação das propriedades do silicato de etilo hidrolisado e da sílica coloidal

(Duarte et al. 2004) ................................................................................................................... 17

Tabela 5: Temperaturas de fusão e amolecimento de alguns refratários .................................. 28

Tabela 6: Composição química das ligas críticas (% em peso) (tolerâncias DIN)................... 40

Tabela 7: Sequência de camadas para fabrico de uma carapaça cerâmica ............................... 42

Tabela 8: Média da percentagem de cada elemento para as diferentes gamas da temperatura

máxima efetiva do vazamento .................................................................................................. 45

Tabela 9: Média da percentagem de cada elemento para as diferentes gamas da temperatura

mínima efetiva do vazamento ................................................................................................... 46

Tabela 10: Planeamento de ensaios para testar a temperatura de vazamento e as condições de

arrefecimento ............................................................................................................................ 47

Tabela 11: Temperatura de vazamento efetiva e temperatura de pré-aquecimento dos 3 provetes

.................................................................................................................................................. 48

Tabela 11: Composição química das duas peças (uma produzida na ZCP, outra na ZGT) ..... 56

Tabela 12: Composição química da farinha de zircão da Zollern e do INEGI (resultados XRD)

.................................................................................................................................................. 75

Tabela 13: Resultados da análise XRF da areia de zircão (INEGI e Zollern) e dados do

fornecedor Zollern .................................................................................................................... 78

Tabela 14: Resultados da análise XRF da areia de zircão (INEGI e Zollern) – elementos

residuais .................................................................................................................................... 79

Tabela 15: Designação dos tarugos consoante a altura em que foram vazados e a espessura da

1ª camada da moldação............................................................................................................. 81


1

1 Introdução

1.1 Objetivos

Esta dissertação foi realizada para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica na

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, e tem como principal objetivo o estudo da

interação entre o metal e a cerâmica no processo de fundição por cera perdida que se pensa estar

na origem de um defeito superficial.

Este projeto foi praticamente todo realizado na empresa de acolhimento “Zollern & Comandita

Portugal”, localizada no concelho da Maia. No entanto, também foram desenvolvidos alguns

ensaios na empresa INEGI.

Relativamente aos objetivos gerais desta dissertação, procura-se perceber o que está a

desencadear a reação entre o metal e a cerâmica que por sua vez está na origem do defeito

superficial. Na prática, o objetivo principal deste projeto será tentar identificar a causa do

problema e solucionar o mesmo.

1.2 Enquadramento do projeto e motivação

Esta dissertação vai abordar a temática da interação entre o metal líquido e a cerâmica da

carapaça. Aquando o vazamento, o metal pode atingir temperaturas na ordem dos 1700oC, pelo

que é importante que a carapaça cerâmica tenha um conjunto de propriedades que lhe permitam

resistir ao contacto com o metal e que assegurem a boa qualidade superficial dos componentes

fundidos.

A qualidade superficial das peças tem sido um problema na Zollern & Comandita Portugal

(ZCP). Apesar do defeito superficial que tem surgido em várias peças, este não é tão grave

assim e, normalmente, não é um problema para o cliente, pelo que as peças não são consideradas

sucata. Trata-se de um número elevado de pequenas depressões, como se fossem “picadas”.

Pensa-se que este problema seja causado no momento após o vazamento e durante a

solidificação do metal, devido à interação do metal com a moldação ou com a própria atmosfera

envolvente. Este assunto será desenvolvido daqui em diante.


2

1.3 Apresentação da Empresa – Zollern & Comandita

A Zollern & Comandita Portugal é uma empresa pertencente ao grupo alemão Zollern GmbH

& Co.KG de Sigmaringen (ZGT), situado no sul da Alemanha e fundado no ano de 1708.

Em Portugal, foi fundada no ano de 1991 e situa-se na Maia, na grande área do Porto. Dedica-

se particularmente ao processo de fundição de precisão por cera perdida de vários aços.

Produzem maioritariamente para a indústria automóvel – pás de turbina.

Seguindo a sequência do processo, a ZCP possui um sector de injeção de cera, duas linhas de

produção de carapaças cerâmicas, um sector de fusão com 3 fornos de indução e 2 fornos

rotativos, uma linha de acabamentos e uma secção de tratamentos térmicos.

A empresa possui ainda outras secções de menor dimensão como o controlo de qualidade e a

maquinagem. A primeira é responsável pelo controlo dimensional 3D, mas a sua principal

atividade é a execução de ensaios não destrutivos, nomeadamente, o controlo por líquidos

penetrantes e partículas magnéticas. A secção de maquinagem é responsável pela produção de

alguns moldes (a maioria vem da casa mãe) e por algumas operações de maquinagem para

finalizar a forma de algumas peças.

O projeto foi desenvolvido maioritariamente nas secções de Fusão e Cerâmica, onde foram

realizados vários ensaios.

1.4 Estrutura da dissertação

Esta dissertação pode ser dividida em várias partes. A primeira parte é a introdução

bibliográfica onde são explicadas as várias etapas do processo, respeitando a sua sequência.

Além disso, são apresentados alguns temas que são importantes para a compreensão de todos

os ensaios e análises efetuadas nesta dissertação. Segue-se a apresentação dos vários tipos de

defeitos que podem ser encontrados neste processo.

Nas secções seguintes, são descritos vários procedimentos experimentais onde se procurou

analisar a forma como o defeito superficial se comportava, fazendo alterações a variados

parâmetros do processo. Numa fase inicial, realizou-se uma análise de dados onde se

procuraram relações entre parâmetros do processo e o aparecimento do problema.

Posteriormente, foram realizados testes, na secção da Fusão e na secção da Cerâmica.

Ao longo da dissertação vai sendo feita uma análise dos resultados, tentando seguir pistas e

descartar possíveis causas do problema.

Por fim, nas conclusões e trabalhos futuros compilam-se todas as conclusões retiradas do

trabalho realizado e definem-se trabalhos futuros com base nesta dissertação para uma análise

mais aprofundada do tema.


3

2 Processo de Fundição por Cera Perdida

O processo de fundição por cera perdida ou fundição de precisão, também designado por

“investment casting”, começou a ser utilizado na produção de armamento, joalharia e peças de

arte, no tempo das antigas civilizações egípcias (cerca de 1500 A.C.), sendo um dos processos

de fabrico mais antigos (Campos 2013).

Atualmente, existe uma enorme gama de componentes obtidos por este processo,

nomeadamente, aplicações aeronáuticas e aeroespaciais (pás de turbina), indústria automóvel,

medicina dentária e de reabilitação, joalharia, máquinas-ferramentas, entre muitas outras.

O processo é dividido em várias etapas:

• Projeto e conceção do molde para a injeção de cera

• Obtenção dos modelos em cera e construção do cacho: procede-se à colagem dos

modelos em cera num sistema de gitagem. Este conjunto denomina-se por “árvore” ou

“cacho”.

• Produção da moldação cerâmica: o cacho é revestido por várias camadas de material

refratário. Isto inclui a imersão numa barbotina e posterior polvilhação de partículas

cerâmicas (areia). Nas primeiras camadas utiliza-se areia de granulometria mais fina

para dar melhor qualidade superficial à peça. Depois, a areia mais grosseira é utilizada

nas últimas camadas para conferir espessura e resistência mecânica à carapaça.

• Descerificação: a cera é extraída da carapaça. No boilerclave, as elevadas temperaturas

fazem com que a cera fique no estado líquido, abandonando assim a moldação.

• Sinterização da carapaça: é feita a elevadas temperaturas e confere à moldação melhores

propriedades mecânicas. Após a sinterização, a moldação é mantida no forno até ao

vazamento, garantindo o seu pré-aquecimento.

• Vazamento do metal na moldação.

• Abate da moldação. Depois da solidificação e arrefecimento do metal, a carapaça

cerâmica é destruída (recorrendo-se normalmente a um martelo pneumático) e são

cortados os gitos e canais de alimentação.

• Acabamento da peça. Polimento, rebarbagem e endireitamento, dependendo das

especificações de cada peça.

As principais vantagens que se atribuem a este processo de fabrico são:

• Obtenção de componentes com formas complexas difíceis (ou mesmo impossíveis) de

obter por outros processos.

• Vazamento de várias ligas metálicas.


4

• Obtenção de tolerâncias dimensionais mais apertadas e de boa qualidade superficial.

• Grande versatilidade de formas, principalmente para pequenas dimensões.

• Fiabilidade no que diz respeito às propriedades mecânicas e à rugosidade.

No entanto, é um processo longo e muito caro. Normalmente, um terço dos custos está

associado com as operações de acabamento.

Por ser um processo complexo, precisam de ser controlados vários parâmetros. Os mais

importantes são a temperatura de pré-aquecimento da carapaça, a temperatura de vazamento do

metal e a seleção dos materiais para cada camada da carapaça cerâmica.

2.1 Produção dos Modelos

Um modelo tem a geometria que se pretende dar à peça final e o material usado para a sua

produção é, normalmente, a cera. No entanto, também pode ser usado plástico ou a mistura dos

dois.

As ceras são normalmente misturadas com aditivos. Esta mistura é controlada com

determinadas proporções de forma a obter as propriedades desejadas.

As parafinas e ceras microcristalinas são as mais comuns e são muitas vezes combinadas uma

vez que se complementam.

As parafinas têm um ponto de fusão entre os 52 e os 68oC, baixa viscosidade e são de baixo

custo. No entanto, têm um elevado coeficiente de contração durante o arrefecimento e são

frágeis (Pattnaik, Karunakar, and Jha 2012).

As ceras microcristalinas têm um comportamento bastante plástico e fornecem tenacidade à

mistura. Existem várias classes de diferentes durezas e viscosidades. Têm um elevado ponto de

fusão e são utilizadas em conjunto com a parafina (Barrigana 2013).

As propriedades que se pretende que a cera possua são as seguintes (Pattnaik, Karunakar, and

Jha 2012):

• Coeficiente de expansão térmica mais baixo possível, por uma questão de precisão

dimensional.

• Boa resistência mecânica à temperatura ambiente;

• Baixa viscosidade, para que preencha a moldação completa facilmente;

• Fácil de desmoldar;

• Produzir baixas quantidades de cinzas;


5

• Ponto de fusão não deve ser muito elevado para diminuir a suscetibilidade de distorção

de secções de maior dimensão e cavitações à superfície.

• Originar superfícies lisas, uma vez que será o ponto de partida para a peça final.

• Baixo custo e fácil reciclagem.

Normalmente, combinam-se dois tipos de cera com diferentes pontos de fusão. Isto é, utiliza-

se uma cera com menor ponto de fusão para o sistema de gitagem e outra com maior ponto de

fusão para o modelo. Assim garante-se a rápida fusão da cera de gitagem, dando espaço à cera

dos modelos para expandir quando atinge a sua temperatura de fusão. Caso contrário, a pressão

nas carapaças devido à expansão da cera seria demasiado elevada e poderia levar à fratura das

mesmas (Barrigana 2013). Uma alternativa, utilizada na ZCP, é usar o mesmo tipo de cera na

gitagem e nos modelos, mas, em contrapartida, o conjunto é coberto por uma camada de

parafina que é responsável pelo tal “amortecimento” da expansão da cera uma vez que esta

funde a uma temperatura mais baixa.

Mesmo assim, as ceras são normalmente misturadas com aditivos que permitem ajustar as suas

propriedades, nomeadamente a sua resistência mecânica e controlo dimensional.

Para resolver o problema da resistência mecânica, podem ser adicionados plásticos como o

polietileno. Esta adição também contribui para a melhoria do controlo dimensional. No entanto,

podem ser ainda adicionadas resinas e cargas.

Geralmente, recorre-se mais frequentemente às cargas. Estas têm um ponto de fusão superior e

são insolúveis na cera base, contribuindo assim para reduzir a contração durante a solidificação.

Relativamente ao processo de fabrico dos modelos, estes são produzidos por injeção da cera em

moldes de metal.

Cada modelo, deve ter os parâmetros de injeção bem definidos de forma a otimizar o processo,

isto é obter menor quantidade de defeitos superficiais. Os parâmetros são definidos de acordo

com fatores como a geometria da peça e o tipo de cera. Os mais relevantes são (Pattnaik,

Karunakar, and Jha 2012):

• Pressão de Injeção;

• Temperatura da cera;

• Tempo de Injeção;

• Tempo de Arrefecimento;

• Temperatura do Molde.

Os moldes podem ser produzidos em aço, ligas de alumínio, bronze, latão, ligas de baixo ponto

de fusão, gesso, plástico, entre outros. A seleção do material depende do tamanho da série que

se pretende fabricar, do prazo de entrega e da qualidade superficial que se pretende dar à peça.


6

Geralmente, utilizam-se moldes em aço quando estamos perante uma exigência maior

relativamente à temperatura de fusão e à quantidade de peças que se pretende injetar. Uma boa

alternativa são as ligas de alumínio, uma vez que é suficiente para corresponder às exigências

da cera e, além disso, é mais fácil de maquinar do que o aço.

Para o controlo de temperatura do molde, normalmente de aço ou liga de alumínio, estes são

normalmente refrigerados por placas de arrefecimento, onde circula água.

Na ZCP, utilizam-se 3 tipos de cera:

• Cera virgem, de cor vermelha.

• Cera plástica, de cor azul.

• Cera reciclada.

A cera plástica é usada nas máquinas de injeção automáticas, para produção de grandes séries

(pás de turbina). É um tipo de cera mais resistente.

A cera virgem é usada nas restantes máquinas (manuais e semiautomáticas), muito estável a

nível dimensional e confere bom acabamento. No entanto, não é tão resistente como a cera

plástica, pelo que é necessário maior cuidado na extração das peças do molde, principalmente

nas peças de geometria mais complexa.

A cera reciclada é utilizada maioritariamente para sistemas de gitagem, mas também pode ser

utilizada para peças com exigências dimensionais e superficiais menos apertadas (Campos

2013).

Após a injeção dos sistemas de gitagem, é-lhes colocada uma bacia de vazamento em cerâmica

e posteriormente são banhados com parafina. Depois, procede-se à colagem dos modelos no

sistema de gitagem com auxílio de um ferro de solda que funde a cera. Este procedimento é

manual e requer alguma perícia devendo garantir que não se danificam os modelos com pingos

de cera.

2.2 Carapaças Cerâmicas

O processo de produção de carapaças cerâmicas consiste na deposição de várias camadas de

revestimentos cerâmicos. Cada revestimento é constituído por uma camada de barbotina e por

partículas cerâmicas. A barbotina é uma pasta cerâmica líquida que resulta de uma mistura de

farinha com um ligante.

Este processo pode ser resumido nos seguintes passos:

• O cacho de cera é mergulhado na barbotina.

• É retirado e manipulado de forma a eliminar o excesso de barbotina. Obtém-se assim

uma camada de barbotina uniforme em toda a superfície do cacho.


7

• A areia cerâmica é polvilhada em volta do cacho, cobrindo assim toda a superfície do

cacho.

• Secagem do revestimento.

• As operações anteriores são repetidas até a carapaça atingir a espessura desejada.

Normalmente, o tipo de barbotina e o tipo de areia são alterados entre camadas.

• Aplicação da camada final que consiste apenas num banho de barbotina que garante que

as partículas cerâmicas da última camada não se desprendem.

O tamanho de grão da areia é mais fino nas primeiras camadas e mais grosseiro nas seguintes.

Normalmente, a primeira camada denomina-se por “facecoat” enquanto as posteriores se

denominam por “backup”.

A seleção de matérias-primas é fundamental para a obtenção de uma peça final de qualidade.

Assim, deve-se ter em conta as propriedades dos materiais, nomeadamente (Félix 2008):

• Energia livre de formação;

• Temperatura de fusão/amolecimento;

• Propriedades térmicas;

• Disponibilidade/custo.

Na Tabela 1 apresentam-se propriedades de alguns dos refratários mais utilizados no investment

casting.

Tabela 1: Resumo das propriedades térmicas de diferentes cerâmicos (Barrigana 2013)

Coeficiente de

Expansão Térmica

(x10-6 K-1) 20-

1000oC

Condutividade

Térmica (Wm-1

K-1) 20-26oC

Energia Livre

de Formação

(kJ/mol O2)

Temperatura de

Amolecimento

(oC)

ZrO2 10,0 2,5 -743 (a 1900K) 2010

Y2O3 8,1 8,0-12,0 -989 (a 1469K) 1855

Al2O3 8,0 28,0-35,0 -711 (a 1900K) 1540

(Sílica

Fundida)

SiO2

0,5-0,8 1,2-1,4 -610 (a 1685K) 1280

MgO 9,0-12,0 30,0-60,0 -684 (a 1900K) 2100

CaO 15,2 30, -899 (a 1756K) 1950

ZrSiO4 4,5 8,0 - 1815


8

2.2.1. Energia livre de formação

A energia livre de formação, ou energia livre de Gibbs, é uma medida do potencial

termodinâmico que faz com que a reação ocorra.

Na prática, a análise desta propriedade está muitas vezes ligada à leitura dos diagramas de

Ellingham. O diagrama de Ellingham, representado na Figura 1, relaciona a energia livre de

formação com a temperatura. Para a maior parte dos óxidos metálicos, o valor desta propriedade

é negativa, pelo que o diagrama só apresenta valores abaixo de zero uma vez que a reação de

formação dos óxidos metálicos é exotérmica.

Figura 1: Diagrama de Ellingham (Ellingham 1944)


9

Quanto mais negativo for o seu valor, maior será a estabilidade do óxido. Assim sendo, a

estabilidade de um óxido é tanto maior quanto mais abaixo no diagrama ele estiver (Félix 2008).

Ou seja, um metal pode reduzir os óxidos de todos os metais cujas linhas estejam acima da

desse metal no diagrama (Barrigana 2013).

Por exemplo, admitindo uma liga rica em manganês (elemento químico presente nos aços), para

uma reação a 2000K entre manganês e sílica, a energia livre de formação é calculada da seguinte

forma:

𝑆𝑖(𝑙) + 𝑂2(𝑔) → 𝑆𝑖𝑂2(𝑠)

2𝑀𝑛(𝑙) + 𝑂2(𝑔) → 2𝑀𝑛𝑂(𝑠)

2𝑀𝑛(𝑙) + 𝑆𝑖𝑂2(𝑠) → 2𝑀𝑛𝑂(𝑠) + 𝑆𝑖(𝑙)

∆𝐺 = −546 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙⁄

∆𝐺 = −478 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙⁄

∆𝐺 = 68 𝐾𝐽 𝑚𝑜𝑙⁄

Como a energia livre de Gibbs da reação é positiva, então a reação não favorece a formação

de produtos, logo o manganês não consegue reduzir a sílica, em teoria.

2.2.2. Temperatura de fusão/amolecimento

A temperatura de fusão do material é fundamental, mas também se deve ter em conta a

temperatura de amolecimento que corresponde a cerca de ¾ da temperatura de fusão. Quando

é ultrapassada a temperatura de amolecimento do material, podem ocorrer modificações na

estrutura do componente cerâmico, tais como deformações permanentes e rotura após aplicação

de baixas solicitações. Existem ainda propriedades que se relacionam com estas duas

temperaturas, nomeadamente, a condutividade térmica e elétrica e o calor específico (Tabela 1)

(Félix 2008).

2.2.3. Propriedades Térmicas

As propriedades térmicas mais relevantes na seleção de materiais para a carapaça são o

coeficiente de expansão térmica e a condutividade térmica.

A condutividade térmica mede a capacidade de um material transferir energia na forma de calor.

Este valor varia com a temperatura e normalmente é tabelado em relação ao desempenho

térmico à temperatura ambiente. Por isso, é errado pensar que o comportamento térmico de um

material cerâmico à temperatura ambiente vai ser igual ao seu comportamento a temperaturas

elevadas. No entanto, é um bom ponto de partida para comparar materiais. Outro problema tem

que ver com a porosidade das carapaças, uma vez que a condutividade térmica do ar é muito

mais baixa e, dessa forma, quanto maior a porosidade, menor será a condutividade térmica da

carapaça (Barrigana 2013).


10

O coeficiente de expansão térmica do cerâmico é também importante e deve ser o mais próximo

possível do da liga a vazar, para garantir que a sua expansão e contração são semelhantes. No

entanto, este também varia com a temperatura.

Alguns valores de propriedades de materiais cerâmicos utilizados em moldações podem ser

analisados na Tabela 1.

2.2.4. Disponibilidade/custo

Embora haja refratários que possuem uma energia livre de formação muito negativa, por vezes

a sua disponibilidade não possibilita a sua utilização devido ao seu elevado custo.

2.3 Refratários

Os refratários com maior potencial e mais frequentemente utilizados para o fabrico do facecoat

são o zircão, a alumina, a ítria, a zircónia, a cálcia e a magnésia.

Zircão – ZrSiO4

O zircão é um cerâmico com elevado ponto de fusão, baixo coeficiente de expansão térmica e

baixa condutividade térmica. É quimicamente inerte com a maior parte dos metais, escórias e

vidros. O zircão apresenta partículas arredondadas e por isso área superficial mais baixa e

menor número de pontos de contacto do que as partículas mais anisométricas. Isto garante boa

reprodução dos modelos mas resistência mais baixa devido ao facto de haver poucos pontos de

contacto. É dos materiais mais utilizados na fundição de precisão devido à sua grande

disponibilidade e estabilidade (Duarte et al. 2004). A sua estrutura química é apresentada na

Figura 2.

Figura 2: Estrutura química do zircão (Leal-Ayala et al. 2015)

Trata-se de um mineral natural e por isso pode diferir a nível de impurezas, formas de partícula

e tamanhos de grão. A sua origem é maioritariamente pertencente à Austrália, África do Sul e

Florida (EUA) (Pirkle and Podmeyer 1993).

As partículas de zircão devem ter uma baixa perda de ignição, elevado teor de ZrO2 e baixo

teor de Al2O3, TiO2 e Fe2O3. Além disso deve ser livre de sílica. Isso pode ser traduzido num


11

elevado teor de zircónia e o mínimo de cianite (Al2SiO5), silimanite (Al2SiO5), corindo (Al2O3),

ilmenite (FeTiO3), rutilo (TiO2) e quartzo (SiO2) (Pirkle and Podmeyer 1993).

O processamento químico ou térmico pode ajudar na purificação do zircão extraído da areia,

como a calcinação. Este processo remove a água existente no interior da estrutura cristalina e

consome contaminantes orgânicos presentes no mineral (Stratton 1989).

Este mineral tem uma composição teórica de 67% de zircónia, 32% de sílica e entre 0,2% e 4%

de háfnio (Leal-Ayala et al. 2015).

A presença de impurezas no zircão fazem com que o início da sua dissociação aconteça para

temperaturas mais reduzidas. Isto é particularmente importante para o zircão natural porque

contêm normalmente pequenas inclusões de rutilo, magnetite e outros óxidos ou impurezas que

dão origem a fusão local. Além disso, deve notar-se que o zircão inclui tanto Hf4+ como Th4+

em solução sólida que também pode diminuir a sua temperatura de decomposição (Kaiser,

Lobert, and Telle 2008).

Assim sendo, à medida que se diminui o tamanho de grão (aumento da área superficial), a taxa

de dissociação do zircão aumenta. No entanto, é provado que a presença de impurezas tem

muito mais influência na taxa de dissociação do que o tamanho de grão (Kaiser, Lobert, and

Telle 2008).

Na Tabela 2, apresenta-se a composição química, composição mineral e propriedades físicas de

diferentes tipos de areias de zircão.


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Tabela 2: Composição química e propriedades físicas da areia de zircão (Pirkle and Podmeyer 1993)

Sílica fundida (amorfa) – SiO2

É obtida através da fusão elétrica do quartzo a temperaturas acima de 2000 °C. É utilizada em

fundição de precisão de ligas não reativas porque tem excelente resistência ao choque térmico,

elevada pureza, grande consistência de composições químicas, características ferromagnéticas

muito baixas, estabilidade a temperaturas elevadas (até 1000 °C), densidade baixa, e baixo

coeficiente de expansão térmica (Duarte et al. 2004).

É o principal responsável pela facilidade do abate, uma vez que, após o vazamento, aquando da

iniciação da fase de arrefecimento, este começa a sofrer alterações na sua estrutura, dando

origem a expansões do mesmo, que se traduzem pelo fissurar do revestimento cerâmico,

facilitando o abate.


13

Alumina – Al2O3

A alumina é mais refratária que a sílica e menos reativa com superligas e ligas de titânio. Por

isso, é utilizada principalmente para a fundição de superligas (Prasad 2012).

Este material apresenta uma energia livre de formação muito negativa, no entanto, possui um

elevado coeficiente de expansão térmica que pode causar a distorção de fases (B.Dave and Kaila

2014).

Atualmente, já têm vindo a ser desenvolvidas moldações com elevada refratariedade com

coríndon, onde se utiliza, por exemplo, um ligante de sílica, adquirindo uma grande eficiência

para o vazamento de aços de alta-liga e com temperaturas de vazamento muito elevadas. Assim,

será também bastante eficaz no vazamento de peças com formas complexas (Varfolomeev et

al. 2015).

A areia de alumina funciona muito bem na primeira camada na perspetiva da reatividade com

o metal. Não é aconselhável a sua utilização juntamente com um ligante de sílica no vazamento

de peças à base de ferro uma vez que o ferro se combina com alumina e sílica para formar

compostos de baixo ponto de fusão e provocar "burnin". Contudo, o seu desempenho para ligas

com alto ponto de fusão e para peças de grandes dimensões permite substituir de forma eficaz

o zircão (Branscomb 2011).

Ítria – Y2O3

A ítria é o refratário que possui um valor de energia livre de Gibbs mais negativo. A utilização

da ítria é relativamente recente devido às dificuldades em conseguir uma barbotina à base de

ítria que não gelifique prematuramente. A solução para isso foi usar sílica coloidal como ligante

e adição de iões hidróxidos (Pattnaik, Karunakar, and Jha 2012).

No entanto, devem ainda ser feitos grandes esforços para melhorar a estabilidade e longevidade

da barbotina, e com isso melhorar a resistência mecânica das carapaças. Em particular a ligação

entre as camadas primárias e as de “backup”: a deposição prematura da camada de “backup”

no cacho levou à penetração da barbotina de “backup” no “facecoat” (Barrigana 2013).

Além disso, o elevado custo deste material faz com que seja raramente utilizado.

Zircónia – ZrO2

Também conhecida como baddeleyite, a sua elevada temperatura de amolecimento (2008 °C)

aliada a uma baixa energia livre de Gibbs (-743 kJ mol-1 a 1900K) colocam a zircónia como um

dos melhores candidatos como cerâmico principal das carapaças. Outra característica

interessante da zircónia é a estabilidade da sua condutividade térmica ao longo de uma grande

gama de temperaturas (Barrigana 2013).


14

O potencial da zircónia pura como refratário é no entanto dificultado pelo facto de esta sofrer

um conjunto de transformações, desde a sua forma monoclínica à temperatura ambiente,

tornando-se tetragonal a 1170ºC e, finalmente cúbica acima dos 2300ºC. A transformação de

monoclínica para tetragonal é acompanhada por uma contração volumétrica de cerca de 9% que

pode levar à rutura das carapaças cerâmicas. Este comportamento pode ser controlado através

da adição (em quantidades que variam entre 5 e 15%) de elementos estabilizadores como a

cálcia, a magnésia e a ítria, reduzindo significativamente a variação volumétrica que ocorre

durante a transformação monoclínica/tetragonal. Desta forma, é possível usar zircónia parcial

ou totalmente estabilizada (Félix 2008).

Cálcia

A cálcia possui uma energia livre de formação e uma temperatura de amolecimento que a

tornam um material aliciante para a utilização no fabrico do “facecoat”. No entanto, o facto de

ser altamente higroscópica torna-a difícil de utilizar (Félix 2008).

Magnésia

Tal como a cálcia, a magnésia possui uma energia livre de formação e uma temperatura de

amolecimento aliciantes. No entanto, apresentam um fraco comportamento ao choque térmico

que pode resultar numa destruição da carapaça durante o vazamento (Félix 2008).

A Figura 3 apresenta um gráfico com a expansão linear, em função da temperatura, de

refratários normalmente utilizados para “investment casting”.


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Figura 3: Expansão linear de refratários frequentemente utilizados em “investment casting” (Prasad 2012)

2.3.1. Ligantes

Como já foi dito, as barbotinas são constituídas por partículas de materiais refratários unidos

por um ligante. O ligante, além de garantir a ligação entre as partículas cerâmicas, também deve

conferir uma boa resistência mecânica à carapaça. Após a sua sinterização, este deve ser capaz


16

de suportar o choque térmico e a pressão do metal durante o vazamento (Pattnaik, Karunakar,

and Jha 2012).

Partículas coloidais são suspensões em que a fase dispersa é tão pequena (1 a 1000 nm) que as

forças de gravidade são desprezáveis sendo as interações entre as partículas dominadas por

ligações a curta distância do tipo ligações Van der Walls. Estas partículas, na presença de um

líquido, formam um “sol” – dispersão uniforme de partículas coloidais num meio líquido. É

esse comportamento que as diferencia de partículas menores, que originam soluções, e de

partículas maiores que dão suspensões ou barbotinas por fenómenos de floculação e

precipitação. Os “sols” têm a capacidade de produzir um “gel” (formação de uma estrutura

tridimensional de partículas coloidais ou poliméricas ligadas entre si) por reação com um

catalisador adequado. Esta sequência está ilustrada na Figura 4 (Duarte et al. 2004).

Figura 4: Formação de sílica gel versus precipitação (Duarte et al. 2004)

Sílica Coloidal

O ligante mais utilizado em “investment casting” é a sílica coloidal e consiste numa dispersão

de partículas esféricas coloidais de sílica em água. Este ligante é de fácil manuseamento, boa

estabilidade química e segurança, e confere um excelente acabamento superficial à peça final.

A sua principal desvantagem é o facto de ter base de água que dificulta a sua secagem (Prasad

2012, Barrigana 2013).

As partículas de sílica coloidal têm diâmetro compreendido entre 4 e 40 nm. A sílica é esférica

e amorfa (Committee et al. 2008).

Durante a formação do “gel”, as partículas aderem umas às outras devido à formação de

ligações de siloxano que as mantêm irreversivelmente juntas. Isto acontece quando a carga

negativa é reduzida, por exemplo, pelo aumento do pH, adicionando eletrólitos ou concentrando

a sílica através da evaporação da água. Assim, as partículas de sílica entram em contacto e

polimerizam (Jones 1993).

Existem duas classes de sílica coloidal que se baseiam no tamanho das partículas (8 nm e 12

nm). A classe de partículas de maiores dimensões é considerada melhor para as primeiras


17

camadas de cerâmica (facecoat) devido à sua menor área superficial e consequente menor

reatividade e maior vida da barbotina (Bundy and Viswanathan 2009).

Silicato de etilo

Outro ligante frequentemente utilizado é o silicato de etilo. Este é um ligante de base alcoólica

e por isso seca muito mais rapidamente. Além disso, permite uma sinterização e utilização a

temperaturas mais elevadas do que a sílica coloidal. Apesar desta vantagem, as barbotinas à

base de silicato de etilo gelificam rapidamente quando expostas a uma atmosfera amoniacal e

têm uma fraca força de ligação e estabilidade limitada. Na Tabela 3, comparam-se as

propriedades de ambos (Pattnaik, Karunakar, and Jha 2012, Prasad 2012).

Outros ligantes

Vários ligantes foram desenvolvidos para suportarem temperaturas superiores como a alumina

coloidal e a zircónia coloidal. Contudo, nenhum destes está ao nível da sílica coloidal no que

diz respeito à força de ligação à temperatura ambiente (Prasad 2012).

Tabela 3: Comparação das propriedades do silicato de etilo hidrolisado e da sílica coloidal (Duarte et al. 2004)

Silicato de etilo hidrolisado Sílica coloidal

Forma Líquido claro Dispersão coloidal

Teor em SiO2 (% Peso) 28 a 40 15 a 50

Pronto a usar Não (requer hidrólise) Sim

Solvente Álcool Água

Endurecimento

químico Sim Não

Secagem ao ar Rápida Lenta

Resistência mecânica Boa Excelente

Estabilidade da

barbotina Fraca Boa

Qualidade superficial Boa Excelente

Destruição e limpeza Muito fácil Fácil a difícil

Sinterização Temp. elevadas Temp. mais baixas

Inflamabilidade Sim Não


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2.3.2. Aditivos

Agentes Molhantes

Promovem a molhabilidade do modelo, isto é, garantem que a barbotina adere a toda a

superfície do modelo, mesmo às zonas mais complexas. São utilizados em quantidades entre

0,03% e 0,3% em peso do líquido, principalmente nas camadas do facecoat (Prasad 2012).

Antiespumantes

Os agentes molhantes provocam a formação de espuma, por isso têm de ser usados

antiespumantes para a eliminar e permitir que as bolhas de ar possam ser eliminadas. Eles são

eficazes para concentrações baixas (0,002% a 0,1% em peso do líquido) (Prasad 2012).

Outros constituintes

• Fundente: baixa o ponto de fusão da barbotina e consequentemente a temperatura de

sinterização.

• Dispersante/Desfloculante: favorece a dispersão das partículas das barbotinas evitando

a sua sedimentação e propiciando uma boa homogeneidade. O ácido carboxílico é um

exemplo que funciona como agente desfloculante sem provocar espuma. Este produto

torna possível a produção de alto teor de partículas sólidas com elevado deslizamento

e, portanto, ideal para desfloculação antes da secagem por pulverização. Uma vez que

o produto está no estado líquido, é rapidamente misturado na solução e consegue-se um

fácil controlo da viscosidade.

• Espessante: A principal função do espessante é a de melhorar as propriedades

reológicas. Com a sua adição nas barbotinas consegue-se evitar escorridos. Como

exemplo, o espessante ACRYSOL™ ASE-60 EK é um ácido que, quando dissolvido

em água e neutralizado por uma base, cada partícula da solução expande e torna a

solução mais límpida e mais viscosa. Como se trata de um produto não celulósico,

garante um elevado grau de resistência ao ataque bacteriano e enzimático, resultando

numa estabilidade da viscosidade durante bastante tempo (Barrigana 2013)

2.3.3. Coque

Este material constituído por, no mínimo, 98% de carbono tem granulometria 0,5-1,2mm e a

sua principal função é aumentar a porosidade das moldações. Como é um produto com uma

elevada percentagem de perdas (40-60%), a partir de uma determinada temperatura, cria

espaços vazios no interior do revestimento cerâmico, permitindo uma mais eficaz libertação de

gases. É normalmente utilizado na 4ª ou 5ª camada. Não é conveniente utilizar em camadas


19

mais internas devido ao facto de não conferir qualquer tipo de resistência à moldação (Tamta

and Karunakar 2014).

2.3.4. Polímeros

Os polímeros são usados tanto na camada primária (facecoat) como nas restantes camadas

(backup) e têm vários benefícios. Os mais utilizados são os polímeros de latex que são

dispersões aquosas de partículas de polímero que são estabilizadas para permanecerem em

suspensão. É importante que o latex seja compatível com todos os outros constituintes da

barbotina. Eles têm os seguintes benefícios (Bundy and Viswanathan 2009):

• Reduzir ou eliminar fraturas na camada primária;

Melhorar a adesão à cera;

• Aumentar as propriedades mecânicas da carapaça antes da sinterização;

• Melhorar a adesão da areia;

• Permitir a preparação mais rápida das carapaças;

• Melhorar a permeabilidade da carapaça, aumentando a porosidade.

Já se testou a adição de polímero na barbotina a partir da 2ª camada. Para um teor de 5% de

polímero observou-se um aumento da porosidade após sinterização. Além disso, verificou-se

uma redução da resistência da moldação a verde, mas sem afetar a resistência da mesma após

sinterização (Machado 2005).

2.3.5. Preparação das Barbotinas

As composições das barbotinas dependem do refratário e do tipo de ligante utilizado.

Normalmente está entre os seguintes valores:

• Sólidos do ligante: 5-10%

• Líquido (do ligante ou adicionado): 15-30%

• Farinha refratária: 60-80%

As barbotinas são preparadas acrescentando a farinha refratária ao ligante. Depois a mistura é

agitada para impedir a formação de aglomerados e remover bolhas de ar. A barbotina continua

a ser constantemente agitada para impedir que a farinha se deposite no fundo do recipiente.

Além disso, pode ser adicionado mais líquido para ajustar a viscosidade até ao valor desejado

(Prasad 2012).

A preparação da barbotina é um procedimento difícil uma vez que a viscosidade tem de ser bem

controlada. Baixos valores de viscosidade provocam a fissura da carapaça durante a sinterização

enquanto elevados valores podem fazer com que a moldação não consiga reproduzir todos os

detalhes do modelo. Quando se utiliza uma grande quantidade de partículas finas consegue-se


20

uma superfície com melhor qualidade, no entanto, a permeabilidade decresce e é necessária

uma maior quantidade de ligante (Duarte et al. 2004).

Os principais fatores que têm impacto no tempo de estabilização das barbotinas são (Bundy and

Viswanathan 2009):

• As técnicas usadas para misturar os constituintes;

• A quantidade e tipo de aditivos da barbotina;

• Os procedimentos usados para a sua produção.

As barbotinas utilizadas para as primeiras camadas, como contêm maior percentagem de

refratário e partículas mais finas, levam mais tempo a estabilizar do que barbotinas para o

backup. Quanto maior a densidade do refratário, menor será esse tempo (Bundy and

Viswanathan 2009).

Existem vários parâmetros que devem ser controlados para garantir a conceção de uma carapaça

com as propriedades desejadas (Bundy and Viswanathan 2009):

• Teor de sílica;

• pH;

• Eletrólitos;

• Percentagem de sólidos;

• Viscosidade;

• Temperatura.

2.3.6. Permeabilidade da Moldação

A moldação deve ser suficientemente permeável para permitir a saída do ar da cavidade da

moldação durante o preenchimento do metal líquido. A obtenção de componentes com

geometrias complexas, paredes finas e detalhes superficiais depende, para dadas condições de

aquecimento do metal e da moldação, da permeabilidade desta. Se a casca for permeável

demais, a sua resistência e estabilidade dimensionais poderão ser sacrificadas, porém a baixa

permeabilidade pode provocar defeitos como junta fria, gases, ar retido e mal-cheio.

Alguns estudos têm mostrado que a primeira camada é a que exerce maior influência sobre a

permeabilidade da carapaça. Outros estudos também concluíram que os principais fatores que

afetam a permeabilidade são os refratários utilizados no banho do facecoat e no seu

revestimento, a temperatura de sinterização e o tamanho de grão da areia utilizada no backup.

Acetato de vinilo, pó de cera, de madeira e grafite aumentam a permeabilidade (Machado 2005).

Já foi provado também que a permeabilidade é ligeiramente maior quando se utiliza uma

viscosidade menor em banhos secundários (Machado 2005).


21

2.4 Descerificação

A remoção da cera do interior da moldação é a que causa mais tensões nas paredes da carapaça

devido à expansão da cera que possui um coeficiente de expansão térmica superior ao dos

refratários. No entanto, como o aquecimento da carapaça é feito de fora para dentro, isto faz

com que a camada de parafina (que tem menor ponto de fusão do que a cera) funda mais

rapidamente. Assim, a cera pode expandir para esse espaço (Prasad 2012).

Além disso, também se recorre a técnicas de alívio de tensões como, por exemplo, furar zonas

estratégicas da carapaça com grande massividade (Pattnaik, Karunakar, and Jha 2012).

O processo mais utilizado para a descerificação é através de boilerclave, representado na Figura

5. No boilerclave, a transferência de calor para a cera dá-se através de vapor de água saturado

a elevadas condições de pressão e temperatura (por exemplo, 160oC e 6 bar).

Figura 5: Boilerclave e a sua vista em corte (Pickard 2010)

2.5 Sinterização

A sinterização da carapaça é feita com dois propósitos (Moreira 2014):

• A remoção de humidades e eventuais resíduos (orgânicos e de cera) que possam ainda

estar presentes, decorrentes da fase de construção da carapaça;

• O reforço estrutural da carapaça. Este reforço é conseguido através das altas

temperaturas requeridas pelo processo de sinterização, que permitem a formação de uma

rede de sílica, que liga os pós refratários entre si.

Esta etapa dura cerca de duas horas. Normalmente, o pré-aquecimento da carapaça é feito

aquando da sinterização, seguindo, imediatamente, para o vazamento. Outras vezes, o pré-

aquecimento é feito numa segunda fase (Prasad 2012).

As moldações cujo ligante é a sílica coloidal são secos ao ar e devem ser queimados a elevadas

temperaturas (> 815oC) para a sílica desenvolver uma forte ligação (Committee et al. 2008).


22

2.6 Preparação da Moldação

Em alguns casos, para diminuir a quantidade de defeitos das peças, recorre-se à fibragem da

carapaça antes do pré-aquecimento ou pré-queima. A fibra permite manter o calor numa

determinada zona por mais tempo. Desta forma, pode-se diminuir a quantidade de rechupes nas

peças, fibrando a zona da gitagem, e possibilita a melhor alimentação de metal a zonas mais

estreitas e distantes do sistema de gitagem.

As temperaturas de pré aquecimento variam com a liga e com o tipo de peça a ser vazado. No

entanto, para aços, a temperatura é de cerca de 870 a 1095oC (Prasad 2012).

2.7 Fusão e Vazamento

Equipamento de Fusão

Os tipos de fornos mais utilizados no processo de fundição por cera perdida são os fornos de

indução. Neste processo, a fusão de metal dá-se por indução eletromagnética em cadinhos

cerâmicos. A maioria tem capacidade entre os 10 e os 350 kg. Estes podem ser usados na fusão

ao ar, em atmosfera inerte ou no vácuo. São muito usados para a fusão de aços, ferro fundido,

cobalto, níquel e por vezes ligas de cobre (Committee et al. 2008).

Estes fornos permitem ainda uma ótima homogeneidade do material uma vez que a energia não

é localizada, mas sim distribuída por todo o volume do líquido. Isto acontece porque o campo

magnético faz com que o banho se agite.

Antes de cada vazamento, é retirada uma amostra de material que é sujeita a análises para

verificação da composição química e eventuais ajustes. Isto permite controlar a composição

química de cada ordem de fabrico.

Na ZCP utilizam-se dois métodos de proteção do banho:

• SPAL – “Surface Protection Air Liquide”

• Atmosfera rica em azoto

O SPAL consiste na utilização de árgon líquido para minimizar a reação do banho com o ar que

ocorre normalmente num forno de indução. O árgon é introduzido na superfície do banho em

estado líquido (gota-a-gota). Quando entra em contacto com o banho, o árgon vaporiza e cria

uma atmosfera protetora envolvente. Assim, consegue-se reduzir os níveis de escória e de

oxigénio (Jepson 2002).

Relativamente à utilização de azoto, o objetivo é o mesmo, mas este é introduzido na parte

superior do banho no estado gasoso com um distribuidor anelar.


23

Método de Vazamento

Esta dissertação está apenas focada no vazamento por gravidade ao ar. Este é o método mais

simples e o mais utilizado, precisamente pelo seu baixo preço relativamente aos métodos

assistido por vácuo ou em atmosfera inerte.

Filtros Cerâmicos

Os filtros cerâmicos, representados na Figura 6, são os mais eficientes para o vazamento de

metais. Eles têm uma estrutura com porosidade muito elevada (cerca de 90%) e uma área de

superfície muito elevada para captar inclusões (Brown 1994).

Figura 6: Filtros cerâmicos (Brown 1994)

As inclusões mais grosseiras, tais como grãos de areia ou escória ficam presas na face frontal

do filtro. Depois de ter sido vazado algum metal, forma-se uma camada de material que filtra

as partículas mais finas. À medida que essa camada vai ganhando corpo, o fluxo de metal

através do filtro fica limitado (dependendo do tamanho do filtro). Além do efeito de filtração

física, existe uma atracão química entre as inclusões e a cerâmica do filtro, fazendo com que

pequenas inclusões fiquem presas nas superfícies internas dos poros cerâmicos. Finalmente, o

fluxo não turbulento através do filtro reduz a exposição do metal ao ar, limitando a formação

da camada de óxidos (Brown 1994).


24

Arrefecimento

Após o vazamento, os cachos são sujeitos a diferentes condições de arrefecimento. Isto varia

consoante a liga e a peça, dependendo das exigências e da qualidade que se pretende dar ao

componente final. Os diferentes métodos são:

• Cobertura da bacia com fluxos isotérmicos ou exotérmicos.

• Atmosfera com baixo teor de oxigénio através da combustão de componentes de

madeira ou cera no interior de uma tampa.

Os fluxos exotérmicos mantêm o metal que se encontra na bacia de vazamento no estado líquido

e à mesma temperatura que o restante metal, evitando assim a perda de calor por radiação. O

material entra em combustão devido ao contacto com o metal a elevada temperatura. A sua

combustão compensa a perda de calor daquela zona devido à reação exotérmica do composto.

Depois, os resíduos da combustão expandem e formam uma camada de isolamento do metal (J

1950).

Os materiais isotérmicos à semelhança dos exotérmicos reagem com o metal líquido e formam

uma crosta que o protege e fazem com que a perda de calor seja minimizada (J 1950).

Para se obter uma atmosfera com baixo teor de oxigénio e com propriedades redutoras,

colocam-se pedaços de cera ou de madeira perto do cacho (ou em cima da bacia) e depois é

colocada uma tampa que isola a atmosfera protetora do exterior. A combustão da madeira ou

da cera irá consumir todo o oxigénio (Operhall 1964).

Este procedimento está relacionado com uma patente sobre “Descarbonização na fundição de

aços”, que tem o objetivo de melhorar a qualidade superficial e diminuir/eliminar a

descarbonização nos componentes fundidos. O procedimento patenteado consiste em colocar

material rico em carbono, preferencialmente, na forma de partículas, à volta da moldação. Isto

irá prevenir a descarbonização e pitting do fundido, resultando também numa melhor

distribuição de grão à superfície. A melhoria é conseguida devido ao arrefecimento mais rápido

provocado pelo material introduzido à volta da moldação. O rápido arrefecimento evita o

crescimento de grão à superfície e confere propriedades mecânicas uniformes. Nesta patente

são sugeridos materiais como grãos de ferro fundido e partículas de grafite, preferencialmente

de dimensões reduzidas para garantir o contacto substancial com todas as zonas da carapaça. É

também aconselhado que a carapaça seja colocada numa câmara com atmosfera redutora ao

mesmo tempo que é rodeada pelo material rico em carbono (Operhall 1964).

2.8 Acabamentos

Nesta fase final do processo são realizadas operações de (Campos 2013):


25

• Abate da moldação cerâmica: embora durante o arrefecimento da liga, a moldação

cerâmica parta e separe do cacho, a grande maioria fica agarrada. Esta é removida por

vibração pneumática. Ainda assim, podem ficar resíduos colados ao metal, sendo

removidos por grenalhagem grosseira ou mergulhadas numa solução ácida de ataque,

que irá dissolver os restantes detritos;

• Corte: a separação das peças do sistema de gitagem é realizada, no caso das ligas de

alumínio, magnésio e cobre, recorrendo a serras de fita, já para os aços, ligas de níquel

e titânio usam-se discos de corte abrasivos;

• Rebarbagem: após a separação das peças do sistema de gitagem, é necessário eliminar

os pequenos excessos de materiais deixados pelo sistema de gitagem;

• Tratamento térmico: se requerido, são realizados diferentes tratamentos térmicos, por

forma a conferir às peças as propriedades mecânicas especificadas;

• Inspeção e acabamento: depois de rebarbadas e verificada as suas dimensões, estas

sofrem uma grenalhagem fina para dar um acabamento superficial uniforme e

visualmente atrativo às peças a enviar para o cliente.

2.9 Interação metal-cerâmica

As diferentes ligas, quando fundidas em moldações refratárias, ficam sujeitas a uma série de

reações com a cerâmica que podem modificar a superfície do metal. A interação pode ocorrer

devido à aderência dos materiais refratários ao metal ou pela produção de camadas de reação

que degradam e reduzem as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão do fundido (Jones

1993).

É preponderante prever esta interação e tentar evitá-la. A qualidade superficial é um parâmetro

importante que faz do “investment casting” um processo atrativo para a produção de certos

componentes como as pás de turbina para a indústria aeroespacial. Além disso, a interação entre

o metal e cerâmica pode também resultar no aparecimento de inclusões cerâmicas nos

componentes que afetam seriamente as suas propriedades mecânicas (Jones 1993).

Sabe-se da existência de várias ligas que sofrem uma reação extensa com determinados tipos

de refratários. No caso dos aços, os silicatos, por exemplo, reagem com o metal líquido

provocando o desgaste do refratário e formam produtos de reação que poderão dar origem a

inclusões não metálicas. A interação é o resultado da redução da sílica pelo manganês e carbono

do aço. O óxido de manganês promove a formação de fases vítreas com sílica, alumina e outros

óxidos. Estas fases vítreas têm pontos de fusão baixos e como tal são incorporadas à superfície

do metal (Jones 1993).

A presença de manganês no aço tem um efeito prejudicial sobre refratários de zircónia ou de

alumino-silicatos. O manganês reage com o oxigénio da atmosfera formando óxido de

manganês. Este óxido reage preferencialmente com refratários ricos em sílica (Jones 1993).


26

2 𝑀𝑛𝑂 + 𝑆𝑖𝑂2 → 2 𝑀𝑛2𝑆𝑖𝑂4

𝑀𝑛𝑂 + 𝑆𝑖𝑂2 → 𝑀𝑛𝑆𝑖𝑂3

Estas fases cristalinas fundem a baixas temperatura (entre 1000oC e 1150oC) o que provoca a

degradação da moldação. A reação pode ser atenuada através da utilização de zircónia com

elevado grau de pureza ou de refratários de alumina na carapaça. Outra alternativa é a utilização

de materiais que garantam uma atmosfera envolvente com propriedades redutoras, favorecendo

a diminuição da reação. Isto pode ser conseguido usando carbono/grafite ou vazar o metal em

vácuo (Jones 1993).

Uma das principais causas da falha de refratários de alumina e sílica é a reação do refratário

com óxidos de ferro a elevadas temperaturas. Na presença de oxigénio, o óxido de ferro reage

com a alumina e com a sílica formando fases cristalinas como a cristobalite, tridimite, mulite,

corindo, hematite, entre outras. Isto provoca a formação de óxidos com baixo ponto de fusão

que passam ao estado líquido e degradam a moldação (Jones 1993).

Um defeito de fundição que ocorre principalmente na superfície de metais ricos em crómio

(13% de crómio ou aços inoxidáveis 18/8) designa-se por “Spotted dick”. Também designado

por pitting, aparece como uma série de pequenas depressões superficiais que cobrem a maior

parte do fundido e ocorre principalmente nas suas zonas mais espessas. Por vezes, este defeito

pode ser removido com recurso a operações de acabamento (Jones 1993).

Acredita-se que o defeito é causado pela descarbonização do metal na interface metal-cerâmica

que dá origem à formação de monóxido de carbono. As bolhas de monóxido de carbono

deformam a superfície da peça, dando origem ao pitting. A presença em excesso de crómio

agrava o defeito devido à formação de carbonetos de crómio que se depositam no metal (Jones

1993).

Aços com alto teor de carbono são menos propensos a defeitos de penetração uma vez que o

carbono protege o metal da oxidação. Além disso, é referido que aços com elevada percentagem

de manganês são apenas compatíveis com areias de alumina ou magnesite (Mahimkar 2011).

Resumindo, este defeito pode estar relacionado com três causas (Jones 1993):

• Reação entre o carbono do metal líquido e o oxigénio do ar preso nos poros da

moldação.

• Reação entre o carbono do metal líquido e o oxigénio da atmosfera.

• Reação entre o carbono do metal líquido e o material da moldação.

Além de que a presença do defeito está também relacionada com o tempo de solidificação da

peça. Isso depende da massa de metal, da área superficial (para libertar calor) e da capacidade

de absorção de calor da moldação. Tendo em conta estes fatores, foram propostos os seguintes

métodos para reduzir a ocorrência do defeito nos aços (Jones 1993):

• Adicionar partículas de grafite à areia para cada camada do revestimento;


27

• Adicionar grafite coloidal na barbotina das camadas de backup;

• Reduzir a temperatura da moldação antes do vazamento;

• Reduzir a temperatura de vazamento do metal;

• Injetar uma pequena quantidade de hidrocarbonetos halogenados na moldação antes do

vazamento.

• Rodear o cacho de materiais ricos em carbono;

• Realizar o vazamento ou arrefecimento em vácuo;

• Usar moldações sem sílica.

A principal agravante da reação entre o metal e a cerâmica são as elevadas temperaturas. A

temperatura máxima alcançada na estrutura da moldação durante o vazamento do metal está

diretamente relacionada com a dimensão/espessura do componente. Foram realizados ensaios

para componentes com diferentes massas: 5 kg e 60 kg. Assim, a carga térmica varia

consideravelmente. Os perfis de temperaturas na secção das duas moldações apresentam-se nas

Figuras 7 e 8.

A moldação do componente de menor massa atinge uma temperatura mínima de cerca de

1100oC à superfície uma vez que a quantidade de calor existente na peça é rapidamente libertada

para o exterior. O mesmo não se verifica para o componente de 60 kg onde se verifica uma

temperatura mínima de 1300oC.

Figura 7: Variação da temperatura na secção da moldação de uma peça de 5 kg (Jones 1993)


28

Figura 8: Variação da temperatura na secção da moldação de uma peça de 60kg (Jones 1993)

Assim, a extensão da interação entre a moldação e o metal é influenciada, não só pelo tipo de

aço a ser vazado, como pelo tamanho do componente (Jones 1993).

A fusão de elementos da carapaça pode ocorrer quando se vazam peças com grandes dimensões

e grandes quantidades de calor. Então deve ter-se em conta os materiais que se usam,

principalmente, na primeira camada do revestimento cerâmico. Na Tabela 4, apresentam-se

temperaturas de fusão e amolecimento de alguns refratários.

Tabela 4: Temperaturas de fusão e amolecimento de alguns refratários

Temperatura de

Fusão (oC)

Temperatura de

Amolecimento (oC)

SiO2 1710 1280

Al2O3 2050 1540

ZrSiO4 2420 1815

CaO 2600 1950

ZrO2 2677 2010

MgO 2800 2100

Y2O3 2475 1855

Analisando a Tabela 5, o material mais adequado com base nestas propriedades seria a

magnésia, uma vez que possui as maiores temperaturas de fusão e de amolecimento.


29

3 Defeitos associados ao processo de fundição por cera perdida

Já que o objetivo desta dissertação é estudar possíveis soluções para um defeito nas peças, é

importante ter presente os defeitos associados ao processo.

De seguida são apresentados alguns defeitos, as suas causas assim como possíveis soluções

para a sua eliminação.

3.1 Mal Ligado – “Cold Shut”

Linhas ou arestas normalmente arredondadas indicando má ligação entre duas ou mais correntes

de metal fundido (Figura 9) (Moreira 2014).

Figura 9: Esquematização e exemplo real de uma descontinuidade causada por falta de fusão (Moreira 2014)

Possíveis causas

• Oxidação do metal causa um aumento da tensão superficial.

• Baixa temperatura do metal e/ou baixa temperatura da moldação.

• Baixa fluidez do metal.

• Sistema de gitagem mal dimensionado.

• Baixa permeabilidade da carapaça.

• Turbulência do escoamento no vazamento.

3.2 Porosidades

As porosidades ou bolhas de gás podem estar associadas a (Moreira 2014):

• Ar que não escapa da moldação durante o vazamento (Figura 10).


30

Figura 10: Esquematização e exemplo real com poros devido à retenção de ar (Moreira 2014)

• Queima insuficiente: deixa resíduos de cera que resultam em gás durante o vazamento,

(Figura 11).

Este defeito localiza-se principalmente no lado superior da árvore de peças na posição

de vazamento. Os resíduos de cera transformam-se em CO ou CO2, levando ao

aparecimento do defeito.

Figura 11: Bolhas resultantes da má queima da moldação (“pinholes”) (Bijvoet 2005)

• Reação metal-cerâmica: cavidades arredondadas normalmente com superfícies

brilhantes.

• Gás proveniente do metal (Figura 12).

Figura 12: Esquematização e exemplo real das cavidades com formato esférico, podendo conter marcas de

oxidação (“blowholes-gas”) (Moreira 2014)


31

Possíveis Causas

• Desoxidação inadequada ou insuficiente.

• Metal mantido a temperaturas muito elevadas por largos períodos de tempo.

• Materiais da moldação em mau estado de conservação, molhados ou contaminados.


• Fluxo de metal turbulento.


• Pré-queima incorreta ou insuficiente: temperatura de pré-queima baixa e/ou tempo

insuficiente.

• Contaminação da moldação ou materiais da moldação inadequados.

3.3 Escória (“Slag”)

Conjunto de cavidades de formato irregular indicativo de presença de escória e/ou partículas

refratárias (Figura 13) (Moreira 2014).

Figura 13: Esquematização e exemplo real das cavidades devido à presença de escória (Moreira 2014)

Causas Possíveis

• Desoxidação insuficiente.

• Sobreaquecimento do metal.

• Presença de impurezas no metal a fundir.

• Partículas refratárias provenientes do forno ou da colher.

• Técnica de eliminação de escória incorreta.

3.4 Fissuração a quente (“Hot tears”)

Descontinuidades irregulares com áreas susceptíveis a tensões; a superfície da fratura aparece

oxidada (Figura 14) (Moreira 2014).


32

Figura 14: Esquematização e exemplo real de uma peça com uma fissura a quente (Moreira 2014)

Causas Possíveis

• Mau design da peça e do sistema de gitagem.

• Temperaturas incorretas do metal ou carapaça.

• Arrefecimento rápido após vazamento (durante solidificação).

• Movimento da carapaça antes da solidificação do metal.

3.5 Inclusões

Cavidades irregulares que contêm traços de refratários e/ou partículas de escória (Figura 15)

(Moreira 2014).

Figura 15: Esquematização e exemplo real de uma peça com inclusões (Moreira 2014)

Causas Possíveis

• Material externo proveniente do forno ou colher.

• Escória retida durante o vazamento.

• Presença de impurezas no metal a fundir.

3.6 Inclusões Cerâmicas

Cavidades com formas irregulares e faces planas de tamanho indefinido que contêm traços de

material cerâmico (Figura 16) (Moreira 2014).


33

Figura 16: Esquematização e exemplo real de uma peça com inclusões cerâmicas (Moreira 2014)

Causas Possíveis

• Falha da carapaça.

• Gelificação do ligante da primeira camada.

• Relevos na moldação.

3.7 Metal excessivo devido a falha da carapaça

Projeções de metal de forma irregular e de tamanho indefinido. Pode conter vestígios de

material ceramico com forma angular e irregular nas proximidades da falha da carapaça (Figura

17) (Moreira 2014).

Figura 17: Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos de excesso de metal (Moreira 2014)

Causas Possíveis

• Espessura insuficiente da carapaça.


34

3.8 Fratura da moldação (“Mold Cracking”)

Excesso de metal que segue o contorno da fissura da carapaça (Figura 18) (Moreira 2014).

Figura 18: Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos derivados da fratura da carapaça (Moreira

2014)

Causas Possíveis

• Tempo de secagem excessivo entre as camadas primárias.

• Surgimento de fissuras na operação de descerificação.

• Coeficientes de expansão diferentes das camadas primárias e das seguintes.

• Baixa resistência da carapaça.

3.9 Mal-cheio (“Non-Fill/Misrun”)

Zonas com falta de metal e arestas arredondadas devido ao enchimento incompleto (Figura 19)

(Moreira 2014).

Figura 19: Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos derivados do mau enchimento (Moreira

2014)

Causas Possíveis

• Baixa temperatura do metal ou da carapaça.

• Fluidez do metal baixa.

• Vazamento muito lento ou interrompido.

• Secções muito finas.



35

3.10 Rabo de rato (“Rat tail”)

Linhas/ranhuras pouco profundas na superfície da peça vazada (pode apresentar marcas de

oxidação) (Figura 20) (Moreira 2014).

Figura 20: Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos derivados do abatimento da camada

primária (Moreira 2014)

Causas Possíveis

• Temperatura elevada da carapaça e excessivo tempo de pré-aquecimento.

• Fissuração da carapaça permitindo a entrada de ar que irá oxidar as fissuras durante o

arrefecimento.

3.11 Contrações nas superfícies – Rechupes (“Shrinkage”)

Cavidades ou depressões irregulares que exibem marcas de oxidação à superfície (Figura 21)

(Moreira 2014).

Figura 21: Esquematização e exemplo real de uma peça com defeitos de contração na superfície (Moreira 2014)

Causas Possíveis

• Pontos quentes.

• Temperaturas de vazamento e pré-aquecimento da carapaça elevadas.


36

3.12 Pitting

Pequenas picadas na superfície (Figura 22).

Figura 22: Exemplos reais de peças com defeito “pitting” (Bijvoet 2005)

Causas Possíveis

• Formação de óxidos de crómio durante a solidificação na presença de oxigénio.

• Formação de monóxido de carbono com origem na reação entre o carbono do metal e

os refratários da carapaça.

3.13 Defeito superficial “Sandpaper”

Superfície relativamente lisa parecida com uma lixa devido à sua rugosidade. A pele de

fundição foi destruída por excesso de grenalhagem ou também pode ter origem num defeito de

cera (Figura 23).

Figura 23: Exemplo de uma superfície com defeito “sandpaper” (Bijvoet 2005)

Causas Possíveis

• Tempo de grenalhagem excessivo.

• Agente de lavagem do modelo é muito agressivo ou o tempo de imersão é muito longo

(provocando rugosidade no modelo em cera).


37

3.14 Grãos (“Pimples”)

Grãos afiados à superfície. O metal infiltra-se na camada primária cerâmica em algumas zonas

(Figura 24).

Figura 24: Exemplo real de uma peça com defeitos derivados da penetração de metal na carapaça (Bijvoet 2005)

Causas Possíveis

• Primeira camada de areia refratária entra em contacto com o modelo devido à baixa

viscosidade da barbotina.

• Primeira camada de areia refratária muito grosseira ou aplicada com muita pressão.

3.15 “Burnin” ou “Burnon”

Superfície granulada, frequentemente com manchas pretas. Elevadas temperaturas do metal e

da carapaça provocam a formação de óxidos e silicatos à superfície (Figura 25).

Figura 25: Exemplo real de uma peça com defeito “burnin” (Bijvoet 2005)


38

Causas Possíveis

• Elevadas temperaturas do metal e da moldação.

• Refratários de baixa qualidade.

3.16 Manchas Escuras

Zona mais escuras numa superfície de fundição de boa qualidade de um aço. Reação do metal

com o oxigénio, formando óxidos de crómio ou de manganês (Figura 26).

Figura 26: Exemplo de uma peça com manchas escuras (Bijvoet 2005)

Causas Possíveis

• Elevadas temperaturas do metal e da carapaça.

• Vazamento turbulento.

• Arrefecimento lento.


39

4 O problema a ser investigado - defeito superficial

O problema a investigar nesta dissertação consiste num defeito superficial que aparece em peças

em aço obtidas pelo processo de fundição por cera perdida, normalmente com espessuras da

ordem dos 20 mm ou mais. Este defeito, também designado correntemente por “defeito de

pele”, não ocorre em todas as peças produzidas pela ZCP, no entanto, é bastante frequente.

Após observação de várias peças na empresa, é possível concluir que:

• As peças mais propensas ao aparecimento do defeito são as peças de maiores dimensões

– com espessuras mais elevadas (desde os 20 mm).

• Este problema nunca foi identificado em peças com espessuras menores do que 5 mm.

No entanto, isto também depende do design do cacho (maior ou menor quantidade de

calor).

• Na mesma peça, podem existir áreas afetadas e não afetadas.

Em algumas peças, nas zonas de maior espessura (maior massividade), o defeito de pele é

perfeitamente visível. O mesmo não se verifica para as zonas de menor massividade, que

apresentam boa qualidade superficial.

Na Figura 27, apresenta-se um exemplo de uma peça (Peça A) com defeito de pele em quase

toda a superfície. Estão rodeadas a vermelho duas zonas onde é claramente percetível a presença

do defeito, por inspeção visual.

É de referenciar que este método é o utilizado na empresa para a avaliação da qualidade

superficial das peças.

Figura 27: Exemplo de uma peça (Peça A) da produção atual com espessuras de cerca de 20mm (Março de 2017)

O problema surgiu no processo há cerca de um ano e meio e não se sabe qual a causa do seu

aparecimento uma vez que nenhum procedimento foi alterado nessa altura. Anteriormente, as

peças tinham boa qualidade superficial como a mostrada na Figura 28, peça fabricada em 2005.


40

Figura 28: Peça A da produção do ano de 2005 (arquivo morto da Zollern)

Embora seja um defeito superficial facilmente observável a olho nu, as peças não são rejeitadas

pelos clientes. No entanto, algumas peças que tenham uma maior exigência são polidas para

disfarçar/eliminar o defeito.

Verificou-se que este era mais incidente quando se utilizam alguns aços em específico, que se

apresentam na Tabela 5.

Tabela 5: Composição química das ligas críticas (% em peso) (tolerâncias DIN)

Aço C Si Mn P S Cr Ni Mo V W

7606 Min 0,42 0 0,5 0 0 0 0 0

Máx 0,5 0,4 0,8 0,045 0,045 0,4 0,4 0,1

7635 Min 0,38 0 0,6 0 0 0,8 0,2

Máx 0,45 0,6 1 0,02 0,015 1,2 0,3

7820 Min 1 0,1 0,8 0 0 0,9 1

Máx 1,1 0,4 1,1 0,03 0,03 1,1 1,3

7859 Min 0,37 0,9 0,3 0 0 4,8 1,2 0,9

Máx 0,43 1,2 0,5 0,03 0,03 5,5 1,5 1,1

8055 Min 0,2 0 0,5 0 0 11,3 0 1 0,25 0

Máx 0,26 0,4 0,8 0,03 0,02 12,2 1 1,2 0,35 0,5

8240 Min 0,2 0 0 0 0 16 1

Máx 0,27 1 1 0,045 0,03 18 2

8330 Min 0 0 0 0 0 18 8

Máx 0,07 1,5 1,5 0,04 0,03 20 11

8420 Min 0 0 0 0 0 17 9 2

Máx 0,03 1,5 1,5 0,035 0,02 20 13 3


41

Uma vez que se trata de um defeito superficial, em princípio poderá estar relacionado com a

interação entre o metal e a moldação. Como já foi referido, este incide principalmente em zonas

de maiores espessuras, por isso, deverá formar-se durante o vazamento e arrefecimento da peça.

Como, nessas zonas, a quantidade de calor é maior, então o arrefecimento é mais lento e são

atingidas temperaturas máximas superiores na moldação. Estas temperaturas mais elevadas

poderão provocar o amolecimento ou fusão dos constituintes da moldação ou reações químicas

que favorecem a interação entre o metal e a cerâmica, o que é indesejável.

4.1 O fabrico das moldações

Cada tipo de peça é sujeita a diferentes condições dependendo do tipo de gitagem, da geometria

da peça, do tipo de liga a vazar, entre outros.

Assim, é necessário definir vários parâmetros como:

• Tempos de mergulho, escorrimento e de areias;

• Sequências das areias;

• Número de camadas;

• Horas de secagem.

Para iniciar o processo de formação da carapaça, os cachos em cera são sujeitos a uma pré-

lavagem e/ou pré-mergulho para criar uma “ligeira” rugosidade na superfície para garantir uma

aderência mais eficaz do banho cerâmico. Além disso, também permite eliminar qualquer tipo

de sujidade existente à superfície do cacho. É normalmente aplicado antes de cada uma das

duas primeiras camadas.

Posteriormente, o cacho é mergulhado no primeiro banho, constituído por um ligante à base de

sílica e por farinha de zircão, e revestido com areia de zircão (<125 µm), estando concluída a

primeira camada. Depois de secar durante o tempo definido (cerca de 6h), o cacho reinicia o

processo de revestimento: pré-mergulho; segundo banho, semelhante ao primeiro mas com

adição de farinha de sílica; areia (0,2-0,5mm).

A partir da terceira camada o cacho mergulha no terceiro banho (ligante à base de sílica e farinha

de sílica) e é revestido por areia (0,5-1mm), cumprindo as horas definidas de secagem até à

última camada.

A última camada tem como objetivo garantir a menor perda possível de areias até ao final do

processo e consiste apenas no mergulho no banho 3. Conclui-se assim o processo de criação do

revestimento cerâmico, que se apresenta resumido na Tabela 6.


42

Tabela 6: Sequência de camadas para fabrico de uma carapaça cerâmica

Camada Banho Areia

1 Pré-Mergulho Ligante; Farinha de

Zircão

Areia de Zircão

(<125 µm)

2 Pré-Mergulho Ligante; Farinha de

Sílica Areia (0,2-0,5mm)

3 - Ligante; Farinha de

Sílica Areia (0,5-1mm)

... - Ligante; Farinha de

Sílica Areia (0,5-1mm)

n - Ligante; Farinha de

Sílica -

Não são revelados mais pormenores acerca do fabrico das moldações por uma questão de

confidencialidade, uma vez que é propriedade da empresa.

Relativamente ao planeamento para analisar a origem do defeito, tentou-se relacionar o seu

aparecimento com algumas variáveis do processo. Inicialmente, no sector da Fusão, foram

feitos ensaios variando parâmetros como, por exemplo, a temperatura de pré-aquecimento da

moldação, a temperatura de vazamento do metal e as condições de arrefecimento. Realizaram-

se também comparações entre duas peças, uma com boa qualidade superficial e outra com

defeito de pele. Com o mesmo objetivo, foram também observadas ao microscópio eletrónico

duas carapaças com diferentes origens (ZCP e ZGT). Posteriormente, no sector da cerâmica,

testaram-se algumas modificações, nomeadamente no material da 1ª camada de areia. No

INEGI, foi fabricada uma moldação para testar os mesmos materiais da primeira camada, mas

de fornecedores diferentes. Esta metodologia está resumida no esquema da Figura 29.


43

Figura 29: Esquema/resumo do procedimento experimental desenvolvido durante o projeto


44


45

5 Análises e ensaios realizados no setor da Fusão

5.1 Impacto da temperatura de vazamento na composição química

Uma vez que o problema começou a aparecer sem nenhuma causa identificada, foram

analisados os registos existentes de vazamentos dos anos 2015 e 2016. Foram agrupados dados

referentes aos parâmetros de cada vazamento, nomeadamente, as temperaturas de vazamento

(máxima e mínima), e às composições químicas das amostras retiradas antes dos vazamentos.

Essa análise iniciou-se pela peça B, representada na Figura 30, uma vez que é produzida com

frequência (logo existe uma grande quantidade de dados) e é uma das peças em que é evidente

o defeito de pele.

A temperatura de vazamento indicada para esta peça está entre 1670oC e 1690oC. Então,

considerando a temperatura máxima efetiva do vazamento, dividiram-se os dados em 3 gamas:

temperatura máxima de vazamento até 1680oC; entre 1680oC e 1700oC; superior a 1700oC.

Depois, obtiveram-se as médias da percentagem de cada elemento da composição química cujos

resultados se apresentam na Tabela 7.

Figura 30: Peça B (dimensões aproximadas: 40x40x20mm)

Tabela 7: Média da percentagem de cada elemento para as diferentes gamas da temperatura máxima efetiva do

vazamento

C Si Mn P S Cr Mo V Qt

>1700 0,3941 1,0596 0,3812 0,0166 0,0086 5,3480 1,4274 1,0128 95

1680-1700 0,4045 1,0884 0,3774 0,0138 0,0072 5,3907 1,4482 0,9924 161

<1680 0,4001 1,1051 0,3887 0,0149 0,0079 5,3644 1,5078 1,0049 18


46

Foi seguido o mesmo raciocínio, mas considerando a temperatura mínima de vazamento. Os

resultados estão apresentados na Tabela 8.

Tabela 8: Média da percentagem de cada elemento para as diferentes gamas da temperatura mínima efetiva do

vazamento

C Si Mn P S Cr Mo V Qt

>1700 0,3938 1,0524 0,3809 0,0168 0,0087 5,3418 1,4197 1,0196 95

1690-1700 0,3952 1,0627 0,3776 0,0162 0,0085 5,3605 1,4355 1,0033 89

<1690 0,4047 1,0941 0,3797 0,0138 0,0072 5,3892 1,4562 0,9930 90

Nas Tabela 7 e 9, a coluna mais à direita “Qt”, refere-se à quantidade de registos de vazamento

pertencente a cada gama de temperatura.

Analisando os dados obtidos, observa-se que a variação das percentagens com a variação das

temperaturas de vazamento é quase insignificante. A única tendência que estas tabelas mostram

é o decréscimo da percentagem de Silício e de Molibdénio com o aumento de temperatura de

vazamento. No entanto, o decréscimo está na ordem das centésimas, por isso estes dados não

são suficientes para se tirar uma conclusão fidedigna.

Esperava-se que, com o aumento da temperatura de vazamento, algo acontecesse na

composição química devido ao facto de as temperaturas mais elevadas proporcionarem uma

maior reação entre o metal e a cerâmica, mas tal não se verificou.

De seguida, analisou-se o refugo do ano 2016 (esta peça não foi produzida em 2015) e

seleccionaram-se os registos das ordens de fabrico com maior percentagem de peças com

defeito de pele e defeito “pitting”. Investigando a composição química de cada registo também

não se verifica nenhuma tendência significativa. Assim, o estudo efetuado não nos permite

chegar a nenhuma conclusão.

5.2 Impacto da temperatura de vazamento e das condições de arrefecimento

Para testar a temperatura de vazamento e as condições de arrefecimento, foram realizados

ensaios com carapaças cerâmicas já produzidas de um provete, representado na Figura 31.


47

Figura 31: Cacho metálico do provete (espessuras mínima e máxima de 5 e 15 mm, respetivamente)

Quanto às condições de arrefecimento, o procedimento mais frequente consiste em tapar o

cacho com uma tampa, após o vazamento. Antes da colocação da tampa, é colocado um pedaço

de madeira ou de cera com o objetivo de queimar todo o oxigénio que envolve a moldação.

Assim, foi testado este procedimento, de forma a perceber qual o impacto que tem na qualidade

superficial das peças.

O vazamento foi feito com o aço 7859-0. Foram medidas as temperaturas de vazamento efetivas

para comparar com as planeadas previamente.

O planeamento do ensaio está representado na Tabela 9, assim como as temperaturas de

vazamento efetivas.

Tabela 9: Planeamento de ensaios para testar a temperatura de vazamento e as condições de arrefecimento

1º Provete 2º Provete 3º Provete 4º Provete 5º Provete

Temp. de Vazamento

Planeada (oC)

1670 - 1690 1690 1690 1670 1640

Temp. de Vazamento

Efetiva (oC)

1699 1687 1695 1681 1640

Tapar (SIM ou NÃO) SIM NÃO SIM NÃO NÃO

Após uma primeira observação, todos os provetes apresentavam defeito de pele, sendo o

primeiro provete o que tinha melhor qualidade. Quanto aos outros provetes, apresentavam

manchas e/ou pior defeito de pele.


48

Com o objetivo de perceber melhor o impacto da alteração dos parâmetros, os cachos foram

grenalhados manualmente com coríndon. No entanto, isto não teve o efeito desejado. Verificou-

se que o coríndon disfarça os defeitos superficiais das peças, principalmente o defeito de pele.

Os provetes apresentavam manchas que, após a grenalhagem, ficaram pouco percetíveis. Isto

tornou mais difícil comparar a qualidade superficial dos provetes.

O provete, apesar de variar a espessura ao longo da sua geometria, não possui a forma mais

indicada para estes ensaios. O ideal seria que o provete tivesse uma zona ainda mais espessa e

outra zona com espessura baixa. Assim, nos próximos ensaios, seria de considerar a

possibilidade de fazer os ensaios numa peça que tenha defeito de pele.

5.3 Impacto da temperatura de pré-aquecimento da moldação

Para testar o impacto da temperatura de pré-aquecimento da moldação na qualidade superficial

das peças, foram realizados testes com 3 cachos de provetes. As temperaturas testadas foram

de 900oC, 1000oC e 1100oC.

Estes vazamentos foram feitos com o aço 7635-0.

Idealmente, a temperatura de vazamento seria constante. A temperatura de referência que se

definiu foi 1640oC. Desta forma, ficou definido que todos os provetes seriam tapados após

vazamento. A temperatura de vazamento efetiva e a temperatura de pré-aquecimento de cada

provete são referidos na Tabela 10.

Tabela 10: Temperatura de vazamento efetiva e temperatura de pré-aquecimento dos 3 provetes

(oC) 1º Provete 2º Provete 3º Provete

Temperatura de Vazamento

Efetiva

1646 1624 1648

Temperatura de Pré-

Aquecimento da Moldação

1100 1000 900

Os resultados do ensaio apresentam-se nas Figura 32, Figura 33 e Figura 34. Estes foram

inconclusivos. Seria de esperar melhores resultados no 3º provete devido à menor temperatura

de pré-aquecimento. No entanto, isso não se verificou.


49

Figura 32: Superfície de uma das peças do 1º provete



5.4 Efeito da atmosfera redutora durante o arrefecimento

Foi feito um acompanhamento do vazamento da Peça B (Figura 30), uma das peças com defeito

de pele evidente. No fabrico desta peça, após vazamento, são colocados pedaços de cera nos

cachos e estes são posteriormente tapados com uma tampa, com o objetivo de eliminar todo o

oxigénio que envolve o cacho.

Verificou-se que não havia um critério quanto à colocação da cera, isto é, a quantidade de cera

variava (barras de diferentes tamanhos) e tanto era colocada em cima do cacho, como ao lado.

Então, definiu-se a colocação de 3 pedaços de cera de igual tamanho em cima do cacho. Isto

pode ter efeitos positivos na qualidade das peças, já que, desta forma, a cera entra em combustão

mais rapidamente e a quantidade de cera passa a ser controlada.


50

Assim, foi também testada a colocação de uma maior quantidade de cera. Então, utilizaram-se

pedaços de cera de diferente geometria (que facilitará a sua colocação em cima do cacho).

Foram introduzidos 4 barras de cera em cada tampa (2 por cacho).

Relativamente à variação de massa de cera, houve um aumento de 40 gramas para 90 gramas.

Fazendo uma primeira análise aos cachos, depois de ter sido feito o abate e limpeza com

grenalhagem com aço, verificou-se que o efeito foi positivo. A qualidade superficial das peças

tinha ligeiras melhorias, isto é, o defeito de pele estava menos evidente e numa menor

quantidade de peças.

As peças dos 2 cachos foram divididas em 4 classes: “Más”, “Razoáveis”, “Boas” e “Muito

Boas”. Nas Figura 36 e Figura 37 apresenta-se um exemplo de cada classe. Depois de comparar

estas classes com as peças obtidas normalmente, pode-se concluir que terá havido uma melhoria

devido ao resultado obtido na Figura 35.

Figura 35: Gráfico de distribuição de classes para atmosfera rica em monóxido de carbono de 228 peças (90g de

cera)

Figura 36: Diferentes classes consoante a incidência do defeito de pele

18%

34%34%

14%Más

Razoáveis

Boas

Muito Boas


51

Figura 37: Classes 1 (“Muito Boas”) e 4 (“Más”) em diferentes zonas da peça

5.5 Impacto da velocidade de arrefecimento

Mantendo a mesma massa de cera (aproximadamente, 90 gramas), aumentou-se a velocidade

de arrefecimento após vazamento.

Com o auxílio de duas ventoinhas, durante 15 minutos, foram arrefecidos 2 cachos (com a

tampa – mantendo a atmosfera protetora criada pela combustão da cera).

Tal como no ensaio anterior, as peças foram divididas nas mesmas 4 classes, obtendo-se o

resultado representado na Figura 38.


52

Figura 38: Gráfico de distribuição de classes para arrefecimento mais rápido de 217 peças

Como o arrefecimento poderia causar fissuras nas peças devido ao choque térmico, as peças

foram sujeitas a um ensaio de líquidos penetrantes. Após o ensaio, o resultado comprovou a

expectativa, já que 30 das peças apresentavam fissuras. Esta quantidade de peças sucatadas

devido a fissuras é significativamente mais elevada do que o normal.

5.6 Impacto do tipo de atmosfera envolvente

Neste ensaio, foram testados 2 tipos de atmosfera:

• Rica em monóxido de carbono – recorrendo à combustão de cera.

• Rica em azoto – ligando uma mangueira de azoto à tampa que cobre os cachos.

Assim, como já tinha sido feito um ensaio com cera, decidiu-se colocar ainda mais cera: duas

barras (cerca de 240 gramas) em cada tampa (2 cachos). Os resultados estão apresentados na

Figura 39 e Figura 40.

Figura 39: Gráfico de distribuição de classes para

atmosfera rica em carbono de 214 peças (240g de

cera)

Figura 40: Gráfico de distribuição de classes para

atmosfera inerte de azoto de 221 peças

Conclui-se que com uma atmosfera protetora inerte de azoto, os resultados são ligeiramente

piores. Esta diferença pode ter a ver com o facto de, apesar de o azoto a ser inserido na tampa

18%

35%

39%

8%

Más

Razoáveis

Boas

Muito Boas

42%

29%

29%

0%Más

Razoáveis

Boas

Muito Boas

44%

38%

18%0%

Más

Razoáveis

Boas

Muito Boas


53

ser um gás inerte, o oxigénio que se encontra dentro da tampa, no momento inicial, não é

expulso. Pelo contrário, quando se queima a cera, todo o oxigénio é removido. Isto vem atestar

a pesquisa feita inicialmente que recomenda a colocação de materiais carbonáceos à volta do

cacho para que a sua combustão crie uma atmosfera redutora.

No entanto, o resultado do aumento de cera não foi o esperado, tendo sido pior que o realizado

anteriormente com 90 gramas de cera por tampa. Pensa-se que isso será devido ao facto de a

combustão da cera criar uma pressão que levantava a tampa, deixando sair os gases da

combustão.


54


55

6 Análise de 2 peças com qualidade superficial distinta

Neste ensaio, realizaram-se duas ordens de fabrico da Peça C (com espessuras na ordem dos 25

mm), representadas nas Figura 41 e Figura 42:

1. Processo completo realizado na ZGT (Zollern GmbH & Co.KG de Sigmaringen)

2. Moldação produzida na ZCP e vazamento na ZGT

O objetivo seria testar a produção das carapaças na ZCP.

Após grenalhagem das peças, observa-se facilmente uma muito melhor qualidade superficial

das peças produzidas integralmente na ZGT. Isto permite-nos concluir que algo está a ser feito

de forma incorreta na produção das carapaças na ZCP.

Figura 41: Peça C cuja moldação foi produzida na ZCP, com maior defeito de pele

Figura 42: Peça C produzida na ZGT com boa qualidade superficial


56

6.1 Composição química e observação ao microscópio ótico

Devido à acentuada diferença de qualidade superficial entre as duas peças, decidiu-se procurar

diferenças entre ambas, nomeadamente, no que diz respeito à composição química,

representada na Tabela 11, e microestrutura.

(%) C Si Mn P S Cr Ni Mo

ZCP 0,0323 0,902 0,4174 0,0088 0,0039 19,48 8,99 0,0361

ZGT 0,0316 1,025 0,6850 0,0067 0,0034 19,32 10,39 0,0650

Tabela 11: Composição química das duas peças (uma produzida na ZCP, outra na ZGT)

No que diz respeito à composição química, as diferenças mais significativas da peça produzida

na ZGT, comparativamente à da ZCP, são:

• Aumento de 0,268% de Manganês.

• Aumento de 0,123% de Silício.

• Aumento de 1,4% de Níquel.

• Aumento de 0,029% de Molibdénio.

As amostras de cada peça foram polidas e observadas ao microscópio (Figura 43 a Figura 48).

Isto apenas permite a observação de inclusões e porosidades, por isso, as amostras foram

posteriormente sujeitas a um ataque químico. O ataque metalográfico revela detalhes macro e

microestruturais como o tamanho de grão, a forma e distribuição das fases e inclusões (Figura

45 e Figura 48).


55

Figura 43: Microestrutura ZCP, numa zona perto da

superfície com defeito de pele

Figura 44: Microestrutura ZCP à superfície

Figura 45: Microestrutura ZCP após ataque

Figura 46: Microestrutura ZGT, numa zona perto

da superfície com defeito de pele

Figura 47: Microestrutura ZGT à superfície

Figura 48: Microestrutura ZGT após ataque

É perfeitamente visível a presença de pequenas irregularidades superficiais com presença de

pequenos óxidos na sua extensão, em ambas as peças.


56

Pela comparação da Figura 43 com a Figura 46, pode-se observar uma muito menor quantidade

de inclusões e porosidades na primeira. Isto viria a ser comprovado para uma maior ampliação,

Figura 44 e Figura 47, uma vez que a quantidade de pequenas cavidades à superfície é muito

maior na amostra da ZCP.

Comparando também a Figura 45 com a Figura 48, observa-se uma diferença considerável no

tamanho de grão. A amostra da ZGT possui maior tamanho de grão que está normalmente

relacionado com um arrefecimento mais lento.

6.2 Observação ao microscópio eletrónico (SEM) das superfícies metálicas

O exame SEM / EDS foi realizado utilizando o Microscópio Eletrónico de Varrimento

ambiental, de alta resolução (Schottky), com Microanálise por Raios X e Análise de Padrões de

Difração de Eletrões Rectrodundidos: Quanta 400FEG ESEM / EDAX Genesis X4M.

Nesta secção, observaram-se ao microscópio eletrónico duas amostras com qualidade

superficial distinta, das peças estudadas na secção 6.1.

Apresentam-se, nas Figura 49 e Figura 50, os resultados obtidos relativamente à amostra

produzida na ZCP. Apesar do defeito de pele ser perfeitamente visível a olho nu, no

microscópio eletrónico não se verifica o mesmo. Na superfície desta amostra aparecem em

grande quantidade óxidos de ferro e óxidos de silício, nas zonas 2 e 3 da Figura 50,

respetivamente. Os espectros destas zonas são apresentados nas Figuras 51 e 52.


57

Figura 49: Micrografia em SEM da amostra metálica ZCP à superfície

Figura 50: Micrografia em SEM da amostra metálica ZCP à superfície


58

Figura 51 Espectro da Zona 2 da superfície metálica da amostra ZCP

Figura 52: Espectro da Zona 3 da superfície metálica da amostra ZCP

Relativamente à amostra da ZGT, apresentam-se as imagens retiradas, nas Figura 53 e Figura

54. Notam-se grandes quantidades de óxidos de silício, na zona 2 da Figura 54. O espectro desta

zona apresenta-se na Figura 55.

Conclui-se então que a amostra da ZCP difere da ZGT no que diz respeito à presença de óxidos

de ferro. Isto pode não estar relacionado com o defeito a ser estudado uma vez que os óxidos

de ferro aparecem normalmente ao longo do tempo devido à oxidação. No entanto, a observação

ao microscópio apenas permite comprovar que a amostra da ZGT é efetivamente de melhor

qualidade superficial.


59

Figura 53: Micrografia em SEM da amostra metálica ZGT à superfície

Figura 54: Micrografia em SEM da amostra metálica ZGT à superfície


60

Figura 55: Espectro da Zona 2 da superfície metálica da amostra ZGT

6.3 Observação ao microscópio eletrónico de duas moldações (ZCP e ZGT)

Devido à considerável diferença observada da qualidade superficial entre as peças da ZGT e da

ZCP, foram também analisadas as moldações no microscópio eletrónico.

As amostras foram revestidas com filme fino de Au/Pd, por pulverização catódica (sputtering),

utilizando o equipamento SPI Module Sputter Coater. As condições em que foram obtidas as

imagens e os espectros estão nas respetivas legendas.

Foram observadas quatro amostras de carapaças cerâmicas. Duas produzidas na ZCP e duas

produzidas na ZGT. Para observar diferentes planos de visualização, observaram-se as amostras

em corte (onde se poderá verificar a sobreposição das camadas que constituem a carapaça) e à

superfície – facecoat.

Amostras observadas em corte

Apresentam-se, nas Figura 56, Figura 57 e Figura 58, as imagens obtidas relativamente à

amostra produzida na ZCP:


61

Figura 56: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZCP em corte



62


Relativamente às zonas 1, 2 e 5, mostradas nas Figura 56 e Figura 58, verificou-se que são ricas

em oxigénio, silício e zircónio, como se poderá verificar na Figura 59 que representa o espectro

da Zona 1 (os espectros das Zonas 2 e 5 não são apresentados uma vez que são praticamente

iguais a este). Então confirma-se que as partículas de menores dimensões são farinha de zircão

enquanto que as de maiores dimensões são areia de zircão. Tal seria expectável devido à

composição do primeiro e segundo banho e também da primeira camada de areia.

Figura 59: Espectro da Zona 1 da amostra da carapaça ZCP em corte


63

Na zona 3 (Figura 56), foram identificados alumino-silicatos, possivelmente, provenientes da

areia utilizada na segunda camada e seguintes. Isto é justificado pelo teor de oxigénio, alumínio

e silício da zona que se verificou no espectro correspondente (Figura 60)


Por último, a zona 4 da Figura 58 que envolve partículas de maior dimensão é constituída

maioritariamente por silício (Figura 61). Conclui-se assim que se trata de partículas

provenientes do ligante utilizado, rico em sílica.


É possível verificar que a zona mais clara é constituída principalmente por zircão (que tem um

numero atómico médio mais alto e por isso emite mais radiação).

Relativamente à amostra da ZGT, as imagens retiradas são mostradas nas Figura 62, Figura 63

e Figura 64.


64

Figura 62: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZGT em corte



65


As zonas 1 e 4 da Figura 63 têm aproximadamente a mesma composição química à base de

oxigénio, silício e zircónio (Figura 65). Estas partículas deverão ser provenientes da areia e da

farinha de zircão, tal como na amostra anterior.

Figura 65: Espectro da Zona 1 da amostra da carapaça ZGT em corte

A zona 2 da Figura 63 é também constituída por oxigénio, silício e zircónio. No entanto, o teor

de silício é superior ao de zircónio (Figura 66). Pode-se prever que se trata da mistura de farinha

de zircão com o ligante.


66


A zona 3 da Figura 63 é rica em oxigénio e silício (Figura 67). O silício e o reduzido tamanho

dessas partículas apontam para a presença de ligante (rico em sílica).


Nas zonas 5 e 6 da Figura 63 subsiste oxigénio, alumínio e silício (Figura 68). Estas partículas

mais escuras serão então oriundas da areia da 2ª camada (alumino-silicatos).

Na zona 7 da Figura 64 encontra-se uma zona rica em oxigénio, alumínio e silício (Figura 69).

É provável que se esteja perante um alumino-silicato. Uma vez que estamos quase à superfície

da carapaça, zona que deveria ser formada maioritariamente por zircão, não seria de esperar

encontrar uma partícula desta espécie.


67



Amostras observadas à superfície

Apresentam-se, nas Figura 70 a Figura 73, as micrografias obtidas da amostra produzida na

ZCP.


68

Figura 70: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZCP à superfície



69



Observando a Figura 72, distinguem-se de imediato as partículas mais salientes (areia de zircão)

envolvidas por partículas de menores dimensões (primeiro banho composto por farinha de


70

zircão). No entanto, existe espaço considerável entre elas, aparecendo ligante na zona 1, rica

em silício (Figura 74), e alumino-silicatos nas zonas 2 e 3 (Figura 75).

Figura 74: Espectro da Zona 1 da amostra da carapaça ZCP à superfície

Figura 75: Espectro da Zona 2 da amostra da carapaça ZCP à superfície

Relativamente à amostra da ZGT, as micrografias retiradas apresentam-se nas Figura 76, Figura

77, Figura 78 e Figura 79.


71

Figura 76: Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZGT à superfície



72

Figura 78:Micrografia em SEM da amostra de uma carapaça ZGT à superfície



73

À semelhança da amostra anterior, também nesta se distingue facilmente as partículas de areia

e de farinha de zircão. Porém, já não se verificam os espaços entre partículas existentes na

amostra da ZCP (Figura 78).

Pela comparação da Figura 73 com a Figura 79, percebe-se ainda que enquanto na primeira

parece existir uma espécie de relevo, o mesmo não se pode dizer relativamente à amostra da

ZGT. Nesta amostra, parece existir uma camada que terá envolvido totalmente o modelo em

cera adquirindo de forma mais eficiente a sua forma.

Conclusão

Na amostra da ZGT, a primeira camada é muito bem delimitada e destaca-se facilmente das

outras. O mesmo não acontece para a amostra da ZCP, onde, apesar de se distinguirem as duas

primeiras camadas, não é tão percetível essa diferença. Isso pode indicar a existência de

mistura/penetração entre camadas.

Como já foi referido anteriormente, também não se esperaria encontrar um alumino-silicato

perto da superfície como se verificou na amostra da ZGT (Figura 64). No entanto, apenas se

encontrou uma partícula desta espécie, não se podendo generalizar.

Quanto à espessura das duas primeiras camadas, é muito difícil comparar as duas amostras

devido à irregularidade das camadas na amostra da ZCP. Nesta amostra, o facecoat parece ter

uma espessura irregular. Além disso, na análise superficial dessa amostra verifica-se uma falta

de material a envolver as partículas de maiores dimensões, parecendo quase soltas. Isto pode

estar na origem do aparecimento de grãos de areia do backup à superfície. O mesmo não se

verifica para a outra amostra. Assim, pode-se concluir que o material em falta do primeiro

banho, poderá ter sido desagregado antes da aplicação da segunda camada ou durante a

descerificação, no boilerclave. Outra possibilidade é a molhagem insuficiente da superfície em

cera.

Na impossibilidade de testar as condições e parâmetros de funcionamento do boilerclave,

decidiu-se testar o impacto da espessura da primeira camada na Secção 7.1.

6.4 Análise de impurezas e da cristalinidade da Farinha e da Areia de Zircão

A espectrometria de raios X é uma técnica não destrutiva, rápida e pode abordar algumas

questões muito importantes, tais como a composição elementar, as disposições desses

elementos, e a quantidade de elementos e compostos (Davis 2013).

Os dois tipos de espectrometria de raios-X com aplicação na indústria cerâmica são a difração

de raios-X (XRD/DRX) e a fluorescência de raios-X (XRF/FRX). Estas tecnologias são

frequentemente usadas em várias indústrias precisamente para responder às questões de

composição elementar e a forma como esses elementos estão ligados (Davis 2013).


74

Um exemplo simples da utilidade desta tecnologia é o caso da grafite e do diamante. Apesar de

serem constituídos por carbono, são dois compostos muito diferentes. A XRF pode identificar

que ambos são 100% carbono, enquanto a XRD é capaz de revelar como o carbono está ligado,

que é o que distingue estes dois materiais. Assim, estas técnicas fornecem informações

diferentes, mas que se podem complementar (Davis 2013).

A Difração de Raios-X é a técnica adequada para estudar a cristalinidade de sólidos, usando

parâmetros de difração padrão produzidos por Raios-X quando interagem com os materiais.

Cada fase produz um único padrão de difração. Por exemplo, o quartzo, a cristobalite e o vidro

são diferentes fases de SiO2 e resultam nos padrões de difração da Figura 80. Elas são

quimicamente idênticas mas os átomos estão organizados de forma diferente (Speakman).

Dos resultados de uma análise por difração de raios-X, é possível determinar (Speakman):

• As diferentes fases cristalinas presentes;

• A quantidade de cada fase cristalina;

• A presença de material amorfo na amostra.

Figura 80: Exemplo de um padrão obtido da mistura de várias fases por difração de raios-X (Speakman)

A Fluorescência de Raios-X é aplicada frequentemente para testar a presença de impurezas

em matérias-primas (Davis 2013).

Além disso, é considerada mais vantajosa quando se pretende analisar uma amostra totalmente

desconhecida uma vez que permite a rápida avaliação qualitativa dos constituintes da matriz

(Wirth and Barth).

Difração de Raios-X da Farinha de Zircão

Foram comparadas duas amostras de farinha de zircão de diferentes fornecedores: fornecedor

do INEGI e fornecedor da Zollern. Foi utilizado material do INEGI devido à facilidade em obtê-


75

lo, mas principalmente devido ao facto de ensaios feitos anteriormente pela empresa em

conjunto com o INEGI terem um resultado positivo no defeito superficial a ser analisado.

Os resultados obtidos são apresentados no Anexo A e como se poderá verificar, as diferenças

são insignificantes. No entanto, pelo cálculo da área total abaixo de cada linha, pode-se dizer

qual das amostras é mais amorfa, aproximadamente.

Assim, concluiu-se que a amostra do INEGI é ligeiramente mais amorfa. Porém, isto permite

admitir que a farinha de zircão utilizada na Zollern não estará associada ao problema do defeito

de pele.

Além disso, as composições químicas obtidas nesta análise são iguais (Tabela 12).

Tabela 12: Composição química da farinha de zircão da Zollern e do INEGI (resultados XRD)

Zollern INEGI

Zircão (ZrSiO4) 98 % 98%

Quartzo (SiO2) 2% 2%

Difração de Raios-X da Areia de Zircão

Assim como se analisou e comparou duas amostras diferentes de farinha de zircão, o mesmo

foi feito para a areia de zircão. Foram também utilizadas amostras da Zollern e do INEGI.

Inicialmente, foram feitas análises à areia no seu estado normal (não moída). Os resultados

obtidos são apresentados nas Figura 81, Figura 82 e Figura 83.

As análises de difração de Raios-X foram realizadas no Departamento de Geociências da

Universidade de Aveiro


76

Areia de Zircão do INEGI (não moída)

Figura 81: Resultado XRD da areia de zircão do INEGI

Quanto à análise quantitativa, o resultado desta amostra foi 100% Zircão (ZrSiO4).

Areia de Zircão da Zollern (não moída)

Figura 82: Resultado XRD da areia de zircão da Zollern (não moída)

A análise quantitativa correspondente à areia da Zollern mostrou a existência de:


77

• 90% de Zircão (ZrSiO4)

• 10% de Quartzo (SiO2)

Areia de Zircão da Zollern moída

Para obter resultados com maior precisão, a areia foi moída e novamente analisada.

Figura 83: Resultado XRD da areia de zircão da Zollern (moída)

O resultado da análise quantitativa foi o seguinte:

• 75% de Zircão (ZrSiO4)

• 25% de Quartzo (SiO2)

Conclusão

A principal diferença visível entre os dois tipos de areias de zircão pela análise XRD é a

quantidade de sílica presente em cada uma. A areia do INEGI é mais pura, enquanto que a areia

da Zollern tem mais sílica livre (quartzo).

Inicialmente, na areia da Zollern verificou-se a presença de sílica. Quando se faz a moagem da

areia, o pó difrata melhor e nota-se ainda mais a presença de sílica (25%).

Apesar das quantidades poderem não ser muito exatas neste método, é notória a presença de

sílica na areia da Zollern e na do INEGI não.


78

A presença de sílica na primeira camada é extremamente prejudicial na interação metal

cerâmica uma vez que reage com o metal líquido, formando silicatos à superfície.

Além disso, para perceber qual das amostras seria mais amorfa, foi calculada a área abaixo da

curva do gráfico. Concluiu-se que a areia da Zollern é mais amorfa – a área abaixo da curva é

cerca de 10% maior. Isto não é desejável e pode promover uma maior interação entre metal e

cerâmica.

Fluorescência de Raio-X da Areia de Zircão

Esta análise, tal como a Difração de Raios-X, foi realizada no Departamento de Geociências da

Universidade de Aveiro. Os resultados apresentam-se nas Tabela 13 e Tabela 14.

Tabela 13: Resultados da análise XRF da areia de zircão (INEGI e Zollern) e dados do fornecedor Zollern

(%) INEGI Zollern Fornecedor Zollern

Zr 58,886 56,594 min (ZrO2+HfO2) 65%

SiO2 28,667 28,106 max SiO2 33,5%

Al2O3 8,961 11,801 max Al2O3 1%

Hf 1,549 1,407 max HfO2 2,5%

TiO2 0,212 0,615 max TiO2 0,3%

Fe2O3 0,189 0,277 max Fe2O3 0,25%

Lost of

Ignition 0,21 0,19 max LOI 0,2%

K2O 0,196 0,166 max K2O 0,04%

P2O5 0,216 0,165 max P2O5 0,15%

CaO 0,142 0,1 max CaO 0,15%

Na2O nd 0,054 max Na2O 0,08%

MgO 0,232 nd max MgO 0,05%


79

Tabela 14: Resultados da análise XRF da areia de zircão (INEGI e Zollern) – elementos residuais

(%) INEGI Zollern

Y 0,13 0,165

Cs 0,134 0,148

Nd 0,091 0,049

U 0,045 0,044

Yb nd 0,038

As 0,039 0,036

Ir nd 0,02

Ni 0,017 0,015

Bi 0,017 0,009

Cr 0,013 nd

Cu 0,012 nd

Pb 0,011 nd

Sc 0,011 nd

W 0,017 nd

Como já foi referido na introdução bibliográfica, a areia de zircão deve ter baixo teor de Al2O3,

TiO2 e Fe2O3. Isto não se verifica nos resultados XRF, onde se verifica que as percentagens

destes compostos ultrapassam efetivamente os valores dados pelo fornecedor:

• A percentagem máxima de Al2O3 referida pelo fornecedor é de 1%. A areia da Zollern

tem quase 12% deste composto.

• A percentagem máxima de TiO2 referida pelo fornecedor é de 0,3%. A areia da Zollern

tem cerca do dobro deste valor.

• A percentagem máxima de Fe2O3 referida pelo fornecedor é de 0,25%. A areia da

Zollern ultrapassa ligeiramente este valor (0,277%).

Outra diferença considerável relativamente aos dados do fornecedor é a quantidade de K2O. A

areia da Zollern tem cerca do quádruplo do referido pelo fornecedor.

Comparativamente à areia do INEGI, no que diz respeito a estes compostos, existe uma ligeira

diferença, mas que pode ser significativa. A areia vinda do INEGI possui:

• Menos 2,84% de Al2O3 – descida de 24%

• Menos 0,4% de TiO2 – descida de 65%


80

• Menos 0,09% de Fe2O3 – descida de 31%

A percentagem de sílica obtida nas duas areias será, provavelmente, não apenas o quartzo, mas

sim parte da que está ligada ao zircão. Daí a sua percentagem ser elevada nos dois tipos de

areia.

No que diz respeito a quantidade de zircónio (Zr), também a areia do INEGI tem vantagem uma

vez que possui cerca de mais 2,3% deste elemento.


81

7 Análises e ensaios realizados no sector da Cerâmica

7.1 Variaçao da espessura da 1ªcamada

Como se verificou na Secção 6.3, na visualização ao microscópio eletrónico das carapaças,

pareciam existir diferenças na primeira camada de cada amostra. Por isso, decidiu-se variar a

espessura da 1ª camada.

A variação dessa espessura foi conseguida alterando apenas os tempos de escorrimento entre o

mergulho na barbotina e a colocação da areia no chuveiro. Foram revestidos 4 cachos – tarugos

de secção quadrangular: 2 com maiores tempos de escorrimento e 2 com menores tempos de

escorrimento. O ensaio foi realizado nestes tarugos devido à sua abundância na empresa e ao

facto de ser relativamente fácil avaliar a sua qualidade superficial.

Os 4 cachos foram descerificados, sendo depois vazados no mesmo forno. Foram vazados 2 no

início da carga e 2 no fim da mesma (entre eles foram vazados vários cachos). O planeamento

do ensaio está simplificado na Tabela 15.

Tabela 15: Designação dos tarugos consoante a altura em que foram vazados e a espessura da 1ª camada da

moldação

Tarugo Vazamento Espessura 1ª camada

1.1 Início do vazamento Baixa

2.1 Alta

1.2 Fim do vazamento Baixa

2.2 Alta

Os resultados obtidos apresentam-se nas Figura 84 a Figura 87.


82

Figura 84: Fotografia da superfície do tarugo 1.1




Por inspeção visual, verifica-se uma grande diferença entre os tarugos vazados no início do

vazamento e no fim. O mesmo não se pode dizer relativamente aos tarugos com diferentes

espessuras da 1ª camada. Isto é, o tarugo 1.1 está semelhante ao 1.2 e o tarugo 2.1 está

semelhante ao 2.2.

Isto permite-nos concluir que a variação da espessura da 1ª camada não teve impacto na

qualidade superficial. Contudo, o facto de haver uma diferença significativa, no que diz respeito

à reatividade, entre os tarugos vazados no início e no fim da carga pode estar relacionado com

a oxidação do banho no forno, ao longo do processo de vazamento. Isto poderá agravar a

interação metal/cerâmica, provocando uma menor qualidade superficial.


83

7.2 Utilização de Carboneto de Silício na última camada da moldação

Numa das patentes consultadas “High Thermal Conductivity Shell Molds”, é sugerida a

aplicação de finas partículas de carboneto de silício na última camada da moldação. O objetivo

seria a utilização de materiais de alta condutividade para, assim, aumentar a condutividade da

moldação (Zhao et al. 2015).

A conceção de uma moldação com maior condutividade seria efetivamente de grande interesse,

uma vez que o defeito a ser estudado surge devido às elevadas temperaturas que a moldação

atinge. Caso a condutividade da moldação aumentasse, poder-se-ia fazer com que a temperatura

máxima atingida fosse menor.

A moldação produzida apresenta-se na Figura 88.

Figura 88: Carapaça com última camada em carbonetos de silício

Os resultados deste capítulo apresentam-se na Secção 7.5.

7.3 Revestimento com materiais INEGI

No seguimento das análises feitas à farinha e areia de zircão, decidiu-se produzir uma moldação

apenas com materiais e banhos existentes no INEGI. O número de camadas manteve-se igual.

As únicas diferenças foram as seguintes:

• Pré-mergulho normalmente antes da 1ª e da 2ª camada não foi utilizado.

• Camada de coque substituída por areia normal das camadas do backup.

Na Figura 89, mostram-se algumas das etapas para a conceção do cacho em cera e da moldação.


84

Figura 89: (a) cacho em cera; (b) após aplicação da 1ª camada do revestimento; (c) moldação final

Os resultados deste capítulo apresentam-se na Secção 7.5

7.4 Utilização de Alumina na 1ª ou na 2ª camada

A substituição da areia de zircão da primeira camada por areia de alumina tem como objetivo

perceber se a causa do problema é a areia de zircão. Contudo, a alumina é um material com

uma energia livre de formação muito negativa, ver Figura 1, tendo potencial para ser utilizada

no facecoat.

A alumina utilizada no ensaio tem granulometria F100, isto é, diâmetro médio de partículas de

129µm.

Os resultados deste capítulo apresentam-se na Secção 7.5

7.5 Resultados

Juntamente com os ensaios descritos nas secções 7.2, 7.3 e 7.4, foram vazados cachos cujas

carapaças seguiram o procedimento normal para facilitar a comparação de resultados.

As peças foram numeradas de cima para baixo (na posição de vazamento) de 1 a 4 para perceber

se havia alguma diferença dependente da posição da peça no cacho metálico (Figura 90). A

identificação fez-se numa zona onde será mais fácil avaliar a presença do defeito de pele.


85

Figura 90: Fotografia do cacho ainda com o sistema de alimentação

Após observação de todos os cachos, conclui-se rapidamente que não existe diferença do defeito

relativamente à posição da peça no cacho. Um exemplo disso, está apresentado na Figura 91.

Por isso, daqui em diante será mostrada apenas uma posição de cada cacho.

Nas Figura 92 e Figura 93, apresentam-se os resultados da Secção 7.4, onde se utilizou alumina

na 1ª ou na 2ª camada. Na Figura 94, mostra-se a qualidade superficial atingida pelo

revestimento com materiais do INEGI: Por último, na Figura 95, apresenta-se o resultado da

carapaça revestida por carboneto de silício.


86

Figura 91: Fotografias da superfície das peças do cacho com procedimento normal: (a) posição 1, (b) posição 2,

(c) posição 3, (d) posição 4

Figura 92: Ensaio com areia de alumina na 1ª camada (Secção 7.4)

(a) (b)

(c) (d)


87

Figura 93: Ensaio com areia de alumina na 2ª camada (Secção 7.4)

Figura 94: Ensaio com materiais do INEGI (Secção 7.3)

Figura 95: Ensaio com última camada em carboneto de silício (Secção 7.2)


88

Observando as imagens, no que diz respeito à qualidade superficial obteve-se uma melhoria

muito significativa em dois dos ensaios: alumina na 1ª camada (Figura 92) e revestimento com

materiais do INEGI (Figura 94). As peças que foram revestidas com alumina na 2ª camada

(Figura 93) ou nas que se utilizou carboneto de silício na última camada (Figura 95) estão muito

semelhantes às peças do cacho com procedimento standard efetuado na ZCP.

Para confirmar essa melhoria, as peças foram grenalhadas com aço, Figura 96 e Figura 97.

Figura 96: Peça depois da grenalhagem em aço (ensaio

com areia de alumina na 1ª camada)

Figura 97: Peça depois da grenalhagem em aço (obtida

pelo procedimento standard)

Isto permite concluir, na prática, que a causa do defeito superficial a ser estudado está

relacionada com a presença de impurezas na areia de zircão, o que confirma o resultado das

análises XRF e XRD – que apontavam para a existência de quartzo e de impurezas na areia de

zircão.

Assim, pensa-se que o defeito poderá surgir:

• Da fusão localizada de impurezas como o quartzo, por exemplo;

• Da redução do metal por parte da carapaça;

• Da expansão do quartzo presente na primeira camada da carapaça.

Como foi visto na Tabela 4, a sílica tem um ponto de fusão e temperatura de amolecimento

relativamente baixos, daí a possibilidade de ser esta a causa do defeito.

Além disso, na Figura 3, verifica-se a grande diferença da evolução do coeficiente de expansão

do quartzo com o aumento da temperatura, atingindo valores superiores a todos os outros

refratários normalmente utilizados para o mesmo fim. Isto reforça a hipótese de a expansão

deste elemento provocar as cavidades que originam o defeito.


89

8 Conclusões e perspetivas de trabalho futuro

8.1 Conclusões

O principal objetivo desta dissertação incidia sobre o estudo da interação entre o metal e a

cerâmica no processo de fundição por cera perdida que estaria a originar um defeito superficial

em grande parte das peças produzidas na empresa. Assim, pretendia-se identificar a causa do

problema e, se possível, encontrar uma solução para o mesmo.

Após se ter testado vários parâmetros do processo, notou-se claramente uma oscilação no que

diz respeito à qualidade superficial das peças. Começando pela sinterização e pré-aquecimento

da moldação, preparação de cargas, condições de vazamento e condições de arrefecimento,

raramente os resultados coincidiam com o que se pretendia e esperava. No entanto, mostrou-se

que a atmosfera envolvente durante o arrefecimento é um fator importante e permite minimizar

o contacto do metal líquido com o oxigénio.

Como se tinha acesso a peças com boa qualidade superficial, decidiu-se fazer uma análise às

mesmas. Inicialmente, no microscópio ótico e depois no microscópio eletrónico. Foram

evidenciadas algumas diferenças, nomeadamente a presença de óxidos de ferro na peça de

menor qualidade. Além disso, foram também comparadas carapaças cerâmicas de diferentes

origens, onde se concluiu que havia uma diferença na espessura da 1ª camada e na molhagem

que se conseguiria obter nas duas superfícies.

De seguida, foram realizadas algumas análises à farinha e areia de zircão que se usa na primeira

camada da moldação para verificar a existência de alguns elementos que poderiam estar a

prejudicar a qualidade superficial e a promover uma maior interação metal/cerâmica. Para isso,

foram utilizados materiais de origem diferente para proceder à comparação entre os mesmos.

Das análises XRD concluiu-se que a areia de zircão da Zollern tinha um teor de sílica elevado

relativamente à areia do INEGI. Contudo, as análises XRF mostram que o teor de sílica é

semelhante nos dois tipos de areia. A conclusão que se tira é que, enquanto a XRD identifica

as fases cristalinas separadamente, na XRF não se verifica o mesmo uma vez que o que aparece

como sílica (SiO2) poderá corresponder ao que está presente no zircão (ZrSiO4). Além disso, a

XRF identifica elementos como Al2O3, TiO2 e Fe2O3. Estes elementos são prejudiciais, podendo

alterar a temperatura de decomposição do zircão.

Posteriormente, foram realizados outros ensaios onde um dos objetivos seria testar a areia de

zircão. Isto é, no lugar desta areia foi utilizado outro material – alumina. Por outro lado, também

se testou a utilização da areia do INEGI (apesar de não mudar apenas este pormenor, ou seja,

todos os materiais utilizados foram do INEGI). O resultado foi o esperado e comprovou a baixa

qualidade da areia de zircão da Zollern: a qualidade superficial de ambos os ensaios foi

excelente, comparativamente às peças standard da empresa. Conclui-se assim que a areia de


90

zircão que está a ser utilizada deverá ter impurezas que favorecem uma maior interação

metal/cerâmica.

Outro parâmetro que terá influência na interação metal/cerâmica tem a ver com a oxidação do

metal líquido. Isto foi verificado na secção 7.1 onde se observou uma diferença considerável

entre o primeiro e o ultimo vazamento que permite concluir que a preparação da carga e

oxidação do banho ao longo do processo de vazamento é um fator que tem influência na

interação metal/cerâmica.

8.2 Trabalhos Futuros

Em trabalhos futuros seria interessante testar diferentes granulometrias na areia de alumina da

primeira camada de forma a otimizar a qualidade superficial das peças e perceber se teria algum

impacto nesse aspeto.

Outra possibilidade seria substituir a farinha de zircão do primeiro banho por alumina ou utilizar

uma mistura dos dois materiais.

Além disso, a propósito da falta de molhabilidade da superfície em cera pela primeira camada

cerâmica, seria interessante testar outros tipos de lavagem da cera e a duração da mesma de

forma a otimizar o ataque da superfície de cera e permitir uma molhabilidade total.

Outra sugestão seria testar a utilização de areia de alumina para componentes de diferentes

dimensões.

Para melhorar a caracterização deste defeito, poderiam ser realizados ensaios de rugosidade.


91

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93

ANEXO A: Resultados XRD da Areia de Zircao (INEGI e Zollern)

Figura 98: Resultado XRD da farinha de zircão da Zollern

Figura 99: Resultado XRD da farinha de zircão do INEGI


94

ANEXO B: Composições Químicas de duas amostras (ZCP e ZGT)

Figura 100: Composição química de uma amostra de uma peça da ZGT obtida por espectrometria

Figura 101: Composição química de uma amostra de uma peça da ZGT obtida por espectrometria

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