Processo de fundição por cera perdida

1. Introdução

Lost Wax (investimento) fundição converte padrões de sacrifício precisos - tradicionalmente cera - em peças de metal por meio de uma concha de cerâmica.

Seus principais pontos fortes são: excelente acabamento superficial, alta precisão dimensional, e a capacidade de fundir geometrias complexas e ligas de alto desempenho.

Variantes de processo (graus de cera, química da casca e métodos principais) deixe os engenheiros negociarem custo versus fidelidade e escolherem rotas que funcionem para aços inoxidáveis, ligas de cobre, ferros, e — com precauções especiais — superligas de titânio e níquel.

2. Processo de fundição por cera perdida

Sequência típica (alto nível):

1. Padrão: fazer cera (ou resina moldável) padrão(é) - peça única ou árvore/cacho.
2. Conjunto: anexe padrões aos corredores/portas para formar um cluster.
3. Investir / construção de shell: mergulhar o conjunto na pasta de aglutinante + estuque; repita para construir o shell.
4. Cura / seco: gel e cascas parcialmente secas entre demãos; secagem final.
5. DeWax: remover cera (vaporizar ou derreter).
6. Burnout / disparo: rampa para queimar orgânicos e estabilizar a casca.
7. Derramar: derreta e despeje o metal na casca pré-aquecida.
8. Shakeout & limpeza: remover casca, cortar portões, limpar.
9. Pós-processo: tratamento térmico, QUADRIL (se necessário), usinagem, acabamento superficial, inspeção.

3. Materiais padrão: baixo-, médio-, e ceras de alta temperatura

Notas & orientação

• Escolha a cera por tamanho da peça, vida útil da ferramenta e sequência esperada de casco/construção. A cera de baixa temperatura é ótima para detalhes finos e baixo volume, mas sofre deformação em ciclos longos ou em áreas quentes da oficina..
  A temperatura média é o carro-chefe da fundição de engenharia. Ceras de alta temperatura (e polímeros de padrão projetados) são usados ​​​​onde o manuseio ou o casco longo criam risco de distorção.
• Aditivos de padrão: plastificantes, estabilizadores, melhoradores de fluxo e corantes afetam o comportamento da injeção, resíduo de desparafinação e evolução de gás de combustão - especifique formulações aprovadas para fundição.

4. Produção de padrões: ferramentas, cera de injeção, e padrões aditivos

• Moldagem por injeção: matrizes de aço/alumínio para cera — baixo custo por peça em volume com alta qualidade de superfície. A escala de custos de ferramentas depende da complexidade.
• 3Padrões de cera/resina fundíveis impressos em D: SLA, DLP, impressoras de jato de material ou cera moldável eliminam ferramentas para protótipos e pequenas tiragens.
  As resinas fundíveis modernas desparafinam de forma limpa e se aproximam da qualidade da superfície da cera de injeção.
• Árvore de padrões e design de portas: organize padrões em um canal central para vazamento e alimentação eficientes; incluem risers sacrificiais para alimentação encolhida.
  Use simulação para distribuição e equilíbrio de alimentação para grandes clusters.

5. Sistemas Shell: Sílica-sol, Copo d'água, e conchas híbridas

O sistema de casca é a variável mais importante que determina a fidelidade da superfície, Resistência térmica, permeabilidade/ventilação, compatibilidade de vácuo e adequação de liga em fundição por cera perdida.

Três famílias práticas são usadas em lojas modernas:

• Sílica-sol (coloidal-sílica) conchas - o prêmio, rota de alta fidelidade.
• Copo d'água (silicato de sódio) conchas - o econômico, rota robusta para maiores / trabalho em aço/ferro.
• Conchas híbridas - combinar uma multa, revestimento interno quimicamente resistente (sílica-sol ou zircão) com revestimentos externos de vidro líquido para equilibrar custo e desempenho.

Conchas de sílica-sol (sílica coloidal)

O que é e como funciona

As conchas de sílica-sol usam um suspensão coloidal de partículas de sílica submicrométricas como o fichário.

Os primeiros casacos (lavagem muito fina) use o colóide para transportar estuque ultrafino que registra detalhes; as camadas subsequentes aumentam a espessura e são consolidadas por secagem e queima em alta temperatura (sinterização) que produz denso, conchas fortes.

Características principais:

• Fidelidade de superfície: melhor disponível - Ra como elenco comumente ~0,6–3 µm com lavagem fina.
• Estabilidade térmica / disparo: shells podem ser consolidados em 600–1.000 ° C. (a prática da loja varia de acordo com o estuque). O disparo em alta temperatura aumenta a resistência do projétil e a resistência ao choque térmico.
• Compatibilidade com vácuo/inerte:excelente — os invólucros de sílica-sol são compatíveis com vazamentos em vácuo e em atmosfera inerte e são a escolha usual para titânio, superligas de níquel e cobalto.
• Controle de permeabilidade: pode ser ajustado por classificação de estuque e queima para fornecer ventilação controlada para alto valor, peças fundidas apertadas.
• Sensibilidade à contaminação:alto — a estabilidade coloidal é perturbada pela contaminação iônica (sais, finos de metal) e orgânicos; lama e limpeza da planta são críticas.
• Estuque típico de primeira camada: sílica fundida sub-10 µm, zircão ou zircônia para interfaces reativas.
• Casos de uso típicos: componentes da turbina aeroespacial, Superlloys, titânio derramado a vácuo, implantes médicos, peças pequenas de precisão.

Conchas de vidro d’água (silicato de sódio)

O que é e como funciona

As conchas de vidro d'água usam um sódio aquoso (ou potássio) solução de silicato como fichário.

Reveste o gel em uma rede semelhante à sílica por meio de gaseificação com CO₂ ou endurecedores químicos (sais ácidos), produzindo um revestimento cerâmico rígido quando combinado com estuque refratário graduado.

Características principais:

• Fidelidade de superfície: bom para engenharia geral - Ra fundido normalmente ~2,5–8 µm dependendo da lavagem e estuque.
• Disparo: geralmente estabilizado em ~400–700°C; as cascas não são sinterizadas na mesma extensão que os sistemas de sílica-sol.
• Compatibilidade com vácuo:limitado — não é ideal para vazamentos a vácuo/inertes ou ligas mais reativas.
• Permeabilidade / ventilação: geralmente bom para aços/ferros; a permeabilidade tende a ser mais grosseira do que as camadas otimizadas de sílica-sol.
• Método de cura:Gaseamento com CO₂ (gelificação rápida) ou endurecedores ácidos – rápido, conjunto robusto no chão de fábrica.
• Sensibilidade à contaminação: moderado - a contaminação iônica afeta a pega e a uniformidade do gel, mas o vidro solúvel é geralmente mais tolerante que o sol de sílica.
• Estuque típico de primeira camada: sílica fundida fina; zircão pode ser usado para melhorar a proteção da superfície.
• Casos de uso típicos: corpos de válvula, carcaças de bombas, grandes peças de aço/ferro, ferragens marítimas, fundições industriais em geral.

Conchas híbridas (revestimento interno de sílica-sol ou zircão + revestimentos exteriores de vidro de água)

O que é e como funciona

Um compromisso económico comum: um casaco interno premium (lavagem com sílica-sol ou zircão/zircônia) é aplicado primeiro para capturar detalhes e criar uma barreira quimicamente resistente, então revestimentos exteriores de vidro de água são construídos para fornecer resistência a granel com menor custo.

Características principais:

• Fidelidade de superfície & barreira química: O interior de sílica-sol/zircão proporciona uma qualidade de superfície próxima da sílica-sol e ajuda a prevenir reações de revestimento metálico na interface metálica.
• Custo & manuseio: revestimentos externos de vidro líquido reduzem o uso total de sílica-sol e tornam a carcaça mais robusta para manuseio e tamanhos grandes.
• Compatibilidade com vácuo: vidro de água melhorado vs puro (graças ao revestimento interno) mas ainda não tão ideal quanto cascas completas de sílica-sol — útil para muitas ligas inoxidáveis ​​e algumas ligas de níquel se as atmosferas de fusão/derramamento forem controladas.
• Usos típicos: corpos de válvulas com superfícies molhadas de alta qualidade, peças de turbina de médio valor onde é necessária alguma compatibilidade de vácuo, aplicações onde custo versus desempenho devem ser equilibrados.

6. Tecnologias principais

• Núcleos solúveis (núcleos de cera ou polímero feitos para dissolver): produzir passagens internas (canais de resfriamento); removido por água quente ou solvente.
• Núcleos cerâmicos queimados com ligante (sílica, alumina, zircão): estável em altas temperaturas para superligas; requer compatibilidade com shell-core.
• 3Núcleos impressos em D: Os núcleos cerâmicos binder-jet ou SLA permitem geometrias internas complexas sem ferramentas.

O design dos núcleos deve considerar o suporte do núcleo, ventilação, expansão térmica e compatibilidade química com metal fundido.

7. DeWaxing, Burnout & disparo de projéteis - cronogramas práticos e pontos de controle

DeWaxing

• Desparafinação a vapor/autoclave: comum para árvores de cera convencionais. Temperatura de superfície típica 100–120 °C; ciclo de minutos a horas, dependendo do volume de cera e do tamanho da árvore.
• Desparafinação térmica / fusão de solvente: usado para alguns polímeros - use recuperação de solvente e controles.

Burnout / cronograma de esgotamento (exemplo típico de engenharia)

• Rampa: desacelere até 100–200 °C para remover resíduos de umidade/cera (≤3–5 °C/min recomendado para cascas grossas para evitar bolhas de vapor).
• Segurar 1: 150–250 ° C. (1–4 horas) para eliminar orgânicos de baixo ponto de ebulição.
• Rampa 2: ~3 °C/min a 350–500 °C.
• Espera final: 4–8 horas a 350–700 °C dependendo do sistema de carcaça e da liga. As cascas de sílica-sol podem ser queimadas a 600–1000 °C para sinterização/resistência; conchas de vidro líquido comumente estabilizadas a 400–700 °C.
• Controles principais: taxa de rampa, disponibilidade de oxigênio (evite oxidação excessiva para invólucros metálicos reativos), e remoção completa de matéria orgânica para evitar a evolução de gases durante o vazamento.

Pré-aqueça a casca antes de despejar: pré-aquecimento do casco a 200–800 °C dependendo da liga para minimizar o choque térmico e melhorar o fluxo do metal; por exemplo, inoxidável derrama normalmente 200–450 °C pré-aquecimento; superligas exigem maior dependendo da casca.

8. Derramando: prática de derreter, opções de vácuo/inerte e parâmetros de vazamento

• Fornos de fusão: indução ou resistência; desgaseificação/filtração e fluxo para limpeza.
• Para temperaturas (típico):

• • Ligas de alumínio: 650–720ºC
  • Ligas de cobre: 1000–1200 ° C.
  • Aços: 1450–1650 °C
  • Superligas de níquel: 1400–1600+°C (liga dependente)

• Vazamento a vácuo e inerte: obrigatório para titânio e ligas altamente reativas; o vácuo reduz a oxidação e as reações de casca metálica.
• Para moda: vazamento por gravidade vs panela de vazamento pelo fundo vs assistido por vácuo - escolha minimizar a turbulência e gases arrastados. Use filtros no gate para controle de inclusão.

9. Materiais comumente fundidos & considerações especiais

• Aços inoxidáveis (300/400, duplex): bom com ambos os copos de água & Sílica-sol; controlar a permeabilidade da casca e o pré-aquecimento final.
• Carbono & aços de baixa liga, Ferro dúctil: bem adequado para conchas de vidro d'água; observe a incrustação e a erosão da casca em altas energias de vazamento.
• Ligas de cobre (bronze, Conosco): comum; controlar o superaquecimento para evitar a lavagem da casca.
• Ligas de alumínio: possível, mas muitas vezes mais barato por outros métodos de fundição; garantir ventilação/permeabilidade.
• Titânio & Você liga: reativo - prefira conchas de sílica-sol, primeiras demãos de zircão/alumina, vácuo derrete, e atmosferas inertes. Evite vidro solúvel, a menos que sejam usados ​​revestimentos de barreira e controles especializados.
• Níquel & superligas de cobalto: use conchas de sílica-sol, queima em alta temperatura e manuseio a vácuo/inerte quando necessário.

10. Dimensional típico, capacidades de superfície e tolerância

• Tolerância dimensional (elenco típico): ±0,1–0,3% da dimensão nominal (por exemplo, ±0,1–0,3 mm em 100 recurso mm).
• Acabamento superficial (Ra como elenco): sílica-sol ~0,6–3,2 µm; copo d’água ~2,5–8 µm.
• Tolerância de encolhimento linear: ~1,2–1,8% (liga & fundição especificar exato).
• Espessura mínima prática da parede: jóias/micro peças: <0.5 milímetros; peças de engenharia: 1.0–1,5 mm típico; seções estruturais mais espessas comuns.
• Repetibilidade: boas práticas de fundição rendem ±0,05–0,15% de operação a operação em dados críticos.

11. Defeitos comuns, causas raízes e soluções

12. Processos pós-casting

• Shakeout & remoção de cerâmica: métodos mecânicos ou químicos.
• Tratamento térmico: tratamento de solução, envelhecimento (T6), recozimento - dependente de liga. Tempos típicos de solução: Ligas de Al ~520–540 °C; aços mais altos.
• Pressionamento isostático quente (QUADRIL): reduz a porosidade de contração interna para peças sensíveis à fadiga; ciclos HIP típicos dependem da liga (por exemplo, 100–200 MPa e 450–900 °C).
• Usinagem & acabamento: furos críticos, faces de vedação usinadas com tolerância; polimento, passivação ou revestimento aplicado conforme necessário.
• END & testando: hidrostático, pressão, testes de vazamento, Raio X/TC, ultrassônico, corante penetrante, testes mecânicos por especificação.

13. Controle de processo, inspeção & qualificação

• Compre métricas de controle de qualidade: sólidos de pasta, viscosidade, tempo de gel, curvas do forno, registros de desparafinação, gráficos de rampa de esgotamento, química de fusão e registros de desgaseificação.
• Cupons de amostra: tração, dureza & cupons de metalografia fundidos em canais para microestrutura representativa e propriedades mecânicas.
• Amostragem END: radiografia e tomografia computadorizada para componentes críticos; especificar níveis de aceitação para porosidade (vol% ou tamanho máximo do defeito).
• Controle estatístico de processo (CEP): aplicar a entradas críticas (lavar sólidos, espessura da concha, derreter hidrogênio) e saídas (variação dimensional, contagens de porosidade).

14. Conceitos errôneos comuns & Esclarecimentos

“Fundição por cera perdida é apenas para peças de alta precisão”

Falso. A fundição por cera perdida à base de vidro de água é econômica para peças de média precisão (± 0,3-0,5 mm) - 40% das peças fundidas por cera perdida automotivas usam esta variante.

“A cera de baixa temperatura é inferior à cera de média temperatura”

Dependente do contexto. A cera de baixa temperatura é mais barata e adequada para trabalhos de baixa precisão., peças de alto volume (por exemplo, hardware) — a cera de temperatura média só é necessária para tolerâncias mais restritas.

“Sílica Sol é sempre melhor que copo de água”

Falso. O vidro líquido é 50–70% mais barato e mais rápido para aplicações de média precisão – o sol de sílica só é justificado para peças aeroespaciais/médicas que exigem tolerância de ±0,1 mm.

“Fundição por cera perdida tem altas taxas de sucata”

Falso. A fundição com cera perdida de sílica sol tem uma taxa de refugo de 2–5% (comparável à fundição sob pressão) - o copo de água tem 5–10% (ainda inferior aos 10-15% da fundição em areia).

“A impressão 3D torna obsoleta a fundição com cera perdida”

Falso. AM é ideal para protótipos/baixo volume, mas a fundição por cera perdida é 5–10x mais barata para volumes médios a altos (>1,000 peças) e lida com peças maiores (até 500 kg).

15. Conclusão

O processo de fundição por cera perdida continua sendo o principal método para a produção de peças complexas, componentes metálicos de alta fidelidade.

Quando você emparelha o direito material padrão, química da casca e prática de fusão/atmosfera com controle de processo disciplinado, a fundição por cera perdida cria de forma confiável peças que seriam difíceis ou impossíveis por outros meios.

Melhorias modernas (3Padrões impressos D, conchas híbridas, vazamento a vácuo e HIP) estendem o processo para novas ligas e aplicações - mas também aumentam a necessidade de especificações cuidadosas, teste e controle de qualidade.

 

Perguntas frequentes

Qual sistema de revestimento devo escolher para titânio?

Sílica-sol (com primeira demão de zircão/alumina) + fusão e vazamento a vácuo/inerte. O vidro solúvel é geralmente inadequado sem extensas medidas de barreira.

Quão finas podem ser as características da fundição por cera perdida?

Características <0.5 milímetros são possíveis (jóias/precisão); em peças de engenharia visam ≥1mm para robustez, a menos que comprovado por testes.

Acabamento de superfície típico que posso esperar?

Sílica-sol: ~0,6–3,2 µm Ra; copo d'água: ~2,5–8 µm Ra. Lavagens finas e polimento de matrizes de cera melhoram o acabamento.

Quando o HIP é recomendado?

Para fadiga crítica, contendo pressão, ou peças aeroespaciais onde a porosidade interna deve ser minimizada — o HIP pode melhorar drasticamente a resistência à fadiga.

Posso usar padrões impressos em 3D em vez de ferramentas de cera?

Sim - resinas moldáveis e cera impressa reduzem o tempo de ferramental e o custo para protótipos/baixos volumes. Garantir que as características de desparafinação da resina e a compatibilidade do invólucro sejam validadas.