Fundição sob vácuo – Processo, benefícios e aplicações explicados

Quando a indústria manufatureira exige menores chances de vazamentos, deformações ou rachaduras no processo de fundição sob pressão, a fundição sob pressão convencional às vezes não é suficiente. Portanto, profissionais da indústria expandiram a ideia e apresentaram... fundição sob vácuo como solução para peças de alta qualidade. Neste artigo, você aprenderá sobre a definição, a mecânica e os cenários de aplicação desse importante avanço na tecnologia de fundição sob pressão.

O que é fundição sob vácuo?

A fundição sob vácuo é uma variante de fundição sob pressão de alta pressão que remove ativamente o ar e o gás da cavidade do molde para criar um vácuo imediatamente antes e durante a injeção de metal fundido.. Ao reduzir o teor de gás na cavidade, minimiza-se o aprisionamento de gás, reduz-se a porosidade, melhora-se a densidade e aumenta-se a consistência das propriedades mecânicas em comparação com a fundição sob pressão convencional (HPDC). Essa abordagem é essencial quando a peça fundida precisa ser soldável, tratável termicamente (T5/T6) ou estanque.

Em sua essência, o método se baseia em uma matriz selada, um sistema de bomba de vácuo e ventilação e canais de alimentação projetados com precisão. O vácuo deve ser estabelecido em um nível específico, geralmente abaixo de 100 mbar e frequentemente muito menor para trabalhos críticos, antes que o metal atinja a cavidade do molde. O resultado é um preenchimento mais limpo e denso, com menos aprisionamento de ar induzido por turbulência e menos surpresas desagradáveis posteriormente.

Fundição sob pressão assistida por vácuo versus sistemas de alto vácuo

Os sistemas de vácuo assistido evacuam parcialmente o molde, melhorando a qualidade de muitas peças sem o custo e a complexidade de um sistema de vácuo completo. Muitas vezes, são suficientes para fundições com exigências moderadas, proporcionando uma redução mensurável em porosidade e melhor comportamento de enchimento.

Os sistemas de alto vácuo visam a evacuação quase total e o menor teor possível de gases residuais. Os moldes são hermeticamente selados, os canais de vácuo são otimizados e as bombas são dimensionadas para alcançar uma rápida redução do vácuo e um vácuo estável durante o enchimento.

Como difere da fundição sob pressão convencional

• Porosidade e aprisionamento de gás: O sistema de vácuo integrado remove ativamente o ar da cavidade do chip, reduzindo drasticamente o aprisionamento de gás e a porosidade interna que afetam a HPDC convencional.
• Propriedades mecânicas: Essa redução na porosidade resulta em propriedades mecânicas superiores e mais consistentes, com menor variação entre lotes em termos de resistência à tração, alongamento e desempenho à fadiga.
• Capacidade de pós-processamento: Ao contrário das peças fundidas convencionais porosas, as peças fundidas a vácuo são geralmente densas o suficiente para serem soldadas e tratadas termicamente com segurança, permitindo uma gama mais ampla de aplicações.

A diferença prática se manifesta na estabilidade das propriedades. Com vácuo, a resistência à tração, o alongamento e o desempenho à fadiga tendem a ser maiores e variam menos de lote para lote.

Como funciona a fundição sob vácuo

Principais equipamentos, características das ferramentas e métodos de vedação.

• máquina de fundição sob pressãoUma máquina de alta pressão com controle rápido da injeção e velocidade precisa do bico.
• Sistema de vácuoBombas de vácuo, válvulas de controle, reservatórios/acumuladores e sensores capazes de atingir rapidamente o nível de vácuo desejado e mantê-lo durante todo o enchimento.
• Matrizes seladas: Vedações robustas na linha de junção, anéis de vedação/juntas em torno dos pinos e deslizadores do extrator e blocos de vácuo que direcionam o fluxo de evacuação.
• Ventilação e comportasO canal de vácuo é posicionado para evacuar o ar das regiões que serão preenchidas por último. As comportas serão dimensionadas e orientadas para promover o fluxo laminar e evitar o congelamento prematuro em seções finas.
• InstrumentaçãoTransdutores de pressão (vácuo da cavidade), termopares (fusão e matriz) e sensores de posição/velocidade da camisa de injeção e do êmbolo.

Os fabricantes de ferramentas costumam usar insertos de aço temperado para portas de vácuo, superfícies de ventilação polidas e elastômeros compatíveis com compressão. A inspeção de rotina dos anéis de vedação e do desgaste da linha de junção está incluída nos planos de manutenção preventiva.

Processo passo a passo

1. Preparação da fotoO material fundido é levado a uma determinada temperatura alvo, e a camisa de injeção é dosada com o volume correto de metal.
2. Esvazie a cavidadeO circuito de vácuo é aberto. O sistema reduz a pressão na cavidade do molde e nos canais conectados até o ponto de ajuste. Para peças complexas, um atraso na pré-evacuação garante a estabilidade da pressão.
3. Injeção/enchimentoO processo começa. A Fase 1 empurra o metal para o ponto de injeção, e a Fase 2 acelera para uma alta velocidade de injeção para um enchimento rápido, enquanto o vácuo permanece ativo, removendo os gases residuais à medida que a frente avança.
4. Intensificação/manutençãoApós a injeção do metal fundido na matriz, a pressão é mantida para compensar a contração à medida que o metal se solidifica, ainda sob vácuo, até que a parte frontal vede a abertura de ventilação.
5. Soltar e solidificarAs válvulas de vácuo fecham conforme necessário e, em seguida, a fundição termina após a solidificação.
6. Abra e ejeteA matriz se abre, os pinos extratores são acionados e a peça é removida. Em seguida, as rebarbas e os canais de injeção são separados.

Este cronograma é rigorosamente coordenado. Se o metal chegar antes que o vácuo atinja o ponto de ajuste, o aprisionamento de gás aumenta drasticamente. Da mesma forma, o fechamento tardio da válvula pode aspirar metal líquido para o circuito de vácuo.

Parâmetros críticos do processo de fundição sob vácuo

• Nível de vácuoPara uma redução significativa da porosidade, muitos produtores visam pressões inferiores a 100 mbar. Peças de alta integridade geralmente operam em pressões de até dezenas de mbar.
• TempoO vácuo deve atingir o ponto de ajuste antes que o metal entre em contato com o canal de injeção e deve ser mantido durante toda a janela crítica de preenchimento. Atrasos de resposta de até 50 a 100 ms podem ser significativos em processos de fabricação de tubos com paredes finas.
• Velocidade do portão e tempo de enchimentoO enchimento rápido e controlado (geralmente de 30 a 60 m/s no ponto de injeção para alumínio, dependendo da geometria) limita a oxidação da superfície e os fechamentos a frio, mantendo a turbulência sob controle.
• TemperaturasTemperatura de fusão suficientemente alta para manter a fluidez (por exemplo, ligas de alumínio geralmente entre 660 e 720 °C, dependendo da composição química), temperaturas da matriz estabilizadas para evitar congelamento e soldagem prematuros. A consistência é mais importante que os extremos.
• Condições de lubrificação e da camisaA lubrificação adequada do êmbolo e o controle da temperatura da camisa previnem a geração de gás e estabilizam o enchimento do primeiro estágio.

O controle de processo integra esses parâmetros em uma faixa repetível. Muitas fábricas adotam o controle de injeção em malha fechada, que ajusta os perfis de velocidade para corresponder ao feedback de pressão da cavidade em tempo real.

Benefícios e Limitações

Excelentes propriedades mecânicas: Menor porosidade

Ao remover os gases, a fundição sob vácuo reduz tanto a porosidade superficial quanto a interna. As peças fundidas apresentariam maior densidade, vida útil à fadiga aprimorada e menor dispersão na resistência à tração e no alongamento.. Por exemplo, componentes de fundição de alumínio Os produtos fabricados sob vácuo robusto frequentemente atingem alongamentos adequados para tratamento térmico T6, que não são consistentemente alcançáveis com HPDC convencional.

Qualidade aprimorada das peças: superfície limpa e uniforme

UM frente de enchimento mais limpa e fluxo menos turbulento produzem acabamentos de superfície mais finos e apresentam menos defeitos estéticos. Mais importante ainda, as peças fundidas alcançam desempenho à prova de vazamentos sem recorrer à impregnação em muitos projetos. Como a porosidade do gás é minimizada, as peças toleram soldagem (MIG/TIG) e respondem de forma previsível aos ciclos de solubilização e envelhecimento, evitando bolhas ou distorções associadas à expansão do gás.

Limitações da fundição sob vácuo

A fundição sob vácuo é adequada principalmente para alumínio e magnésio, visto que as altas temperaturas e a reatividade das ligas ferrosas geralmente as tornam inadequadas para o processo.

Do ponto de vista operacional, o método impõe exigências significativas de equipamentos e manutenção. Isso exige ferramentas meticulosamente seladas, equipamentos de vácuo confiáveis e um rigoroso cronograma de manutenção para lidar com o desgaste de componentes como anéis de vedação e linhas de junção, bem como o acúmulo de carbono nas válvulas.

No entanto, para aplicações de alto volume ou alta integridade, esse investimento é frequentemente justificado pelo aumento do rendimento, pela redução do retrabalho e pela capacidade de consolidar peças e realizar tratamento térmico subsequente.

Aplicações da fundição sob vácuo

Sustentabilidade e Tendências Futuras

Maior eficiência e menores emissões.

A fundição sob vácuo contribui para a produção sustentável, gerando menos peças defeituosas. Menos sucata significa menos metal a ser refundido, o que reduz significativamente o consumo de energia e as emissões associadas. Isso também diminui o consumo de outros recursos, como produtos químicos de vedação. Como a maioria das fundições já recicla internamente seus resíduos metálicos, um rendimento maior torna esse ciclo de reciclagem muito mais eficiente.

Tecnologia Avançada e Automação

O processo está se tornando mais preciso graças à tecnologia. modelos de software de simulação O sistema de fundição e vácuo é utilizado para aperfeiçoar o design antes do início da produção. Durante a fundição, gêmeos digitais e controles de circuito fechado utilizam dados de sensores em tempo real para garantir que cada injeção corresponda ao padrão ideal. Isso é complementado por equipamentos de vácuo mais avançados, ligas especiais e robótica aprimorada, resultando em um processo altamente automatizado e confiável que atende aos rigorosos padrões da indústria.

Conclusão

Embora o conceito de fundição sob vácuo possa ser rastreado até a década de 1970 ou até mesmo antes, ainda é um território relativamente novo e em expansão em comparação com a fundição sob pressão tradicional. No entanto, é a mudança mais prática disponível quando porosidade, soldabilidade ou resposta ao tratamento térmico são imprescindíveis.

Com o auxílio da fundição sob vácuo, o investimento inicial em ferramentas, equipamentos e treinamento se paga por meio de maiores rendimentos. Os fabricantes ganham mais confiança para lidar com requisitos ambiciosos de precisão dimensional e projetos estruturais.

Perguntas frequentes

Existem ligas específicas que se beneficiam mais do processo de fundição sob vácuo?

Como mencionado anteriormente, esse método de fundição pode utilizar alumínio e magnésio. Mas, na verdade, ele é particularmente transformador para ligas de alumínio. Essas ligas são propensas ao aprisionamento de gases e à porosidade por hidrogênio, o que limita severamente sua capacidade de serem tratadas termicamente. Portanto, a fundição sob vácuo é mais benéfica para séries de alumínio de alta resistência (como A356 ou 360) que se destinam ao tratamento térmico T5 ou T6, pois remove o gás que causaria bolhas e fragilidade.

Como se compara o custo da fundição sob vácuo com outros métodos de fundição de baixa porosidade, como a fundição por compressão ou a fundição de metal semissólido (SSM)?

A fundição sob vácuo é frequentemente escolhida como uma solução mais econômica para produção em larga escala em comparação com a fundição por compressão ou a fundição por estado sólido (SSM). Embora todos os métodos reduzam a porosidade, a fundição por compressão requer maquinário especializado (e geralmente mais lento), e a fundição por estado sólido envolve materiais de alimentação complexos. A fundição sob vácuo utiliza máquinas de fundição sob pressão padrão com um sistema adicional, tornando-a ideal para a produção de milhões de peças com alta integridade e em um tempo de ciclo competitivo.

Existem formatos complexos específicos que não são adequados para fundição sob vácuo?

Sim, o processo tem suas limitações. Peças com "bolsões" extremamente profundos e estreitos podem ser problemáticas, pois o vácuo pode não evacuar eficazmente o ar preso nessas zonas mortas antes que o metal as vede. Da mesma forma, peças com núcleos internos que criam cavidades complexas e segmentadas podem dificultar a colocação de saídas de vácuo eficazes, podendo deixar bolsas isoladas de gás.