Filtro de cerâmica de alumina

Para a maioria das operações de fundição e moldagem de alumínio que procuram uma forma económica de cortar inclusões não metálicas, melhorar o acabamento da superfície e estabilizar o fluxo de metal, os produtos de alta pureza filtros de espuma cerâmica de alumina (Al₂O₃) oferecem a melhor combinação de inércia química, durabilidade térmica e eficiência de filtragem; a escolha da densidade de poros correta (PPI), o tamanho da placa e a orientação da instalação determinarão se o filtro reduz os resíduos, encurta a maquinagem a jusante e aumenta o rendimento da primeira passagem.

1. O que é um filtro de cerâmica de alumina e porque é que as fundições o utilizam

Um filtro de cerâmica de alumina é um elemento cerâmico rígido de célula aberta, feito principalmente de óxido de alumínio (Al₂O₃), que é colocado no fluxo de metal durante o vazamento para reter inclusões não metálicas, estabilizar o fluxo, reduzir a turbulência e promover o fluxo laminar a montante do molde. Na prática da fundição de alumínio, esses filtros de espuma ou placa reduzem significativamente a contagem de inclusões e defeitos de porosidade, melhorando o acabamento da superfície e as propriedades mecânicas das peças fundidas. A utilização de filtros de espuma de alumina reduz tipicamente o refugo e o retrabalho e aumenta o rendimento da fundição quando corretamente dimensionados e posicionados.

2. Composição e microestrutura

• Fase cerâmica principal: óxido de alumínio (Al₂O₃). As espumas comerciais típicas utilizam formulações de alta alumina que variam entre 70% e 95% Al₂O₃, dependendo do grau e da finalidade do produto.

• Rede porosa: estrutura reticulada de células abertas produzida pelo revestimento de uma espuma orgânica sacrificial com uma pasta de alumina, secagem e sinterização. O resultado é uma rede esquelética tridimensional com canais interligados.

• Aditivos: dependendo da receita e do regime de sinterização, podem aparecer pequenas fracções de SiO₂, ZrO₂ ou resíduos de ligante; estes ajustam a resistência, a resistência ao choque térmico e o comportamento de sinterização.

Porque é que esta microestrutura é importante
Os poros abertos criam caminhos de fluxo tortuosos que prendem grandes inclusões por impactação direta e capturam partículas mais pequenas dentro de um bolo de filtro em desenvolvimento no esqueleto. A elevada porosidade permite uma baixa queda de pressão, mantendo uma boa eficiência de aprisionamento.

3. Como são fabricados estes filtros

1. Modelo de espuma: é selecionada uma espuma de poliuretano ou de polímero com a densidade de poros necessária (PPI).

2. Revestimento com pasta: a espuma é mergulhada numa pasta de alumina que contém pó de alumina, aglutinantes e modificadores reológicos.

3. Secagem e queima: a espuma de polímero e os ligantes orgânicos são queimados numa rampa térmica controlada.

4. Sinterização: o corpo verde é sinterizado a temperaturas tipicamente entre 1100 °C e 1300 °C, produzindo um esqueleto cerâmico rígido.

5. Maquinação e inspeção: as dimensões finais são cortadas e os filtros são inspeccionados quanto a defeitos e tolerâncias dimensionais.

Leia também:Como fazer um filtro de cerâmica.

4. Geometrias dos filtros e dimensões comuns

Os filtros de alumina são fornecidos nas seguintes formas típicas:

• Placas: placas planas, quadradas ou circulares (populares para inserções de gating e sistemas de filtragem de placas). Os tamanhos mais comuns incluem placas quadradas ou circulares de 7″, 9″, 12″, 15″, 17″, 20″, 23″ com uma espessura geralmente de 20-50 mm.

• Blocos: pequenos blocos rectangulares utilizados para a filtragem localizada em panelas ou em sistemas de gating nodular.

• Cilindros e formas cortadas: formas feitas à medida por maquinagem ou moldagem para equipamentos de vazamento especializados.

5. Principais especificações técnicas e o seu significado

As principais alegações técnicas utilizadas nas decisões de compra devem ser sempre apoiadas por fichas de dados do fornecedor e certificados de ensaio.

6. Mecanismos de filtragem na fundição de metal fundido

Existem três mecanismos principais pelos quais os filtros de espuma de alumina melhoram a limpeza do metal:

1. Captura direta e impactação
   Os grandes fragmentos de óxido e as partículas de escória colidem com a estrutura cerâmica e ficam presos na superfície.

2. Filtração em profundidade e formação de bolos
   À medida que as inclusões se acumulam, formam um bolo poroso que captura partículas mais pequenas no interior da rede do filtro. Isto aumenta a eficiência da filtragem ao longo do tempo, mas aumenta progressivamente a queda de pressão.

3. Condicionamento do fluxo
   A estrutura de células abertas abranda e suaviza o metal, encorajando o fluxo laminar para o molde e reduzindo o arrastamento de ar e óxidos causado pela turbulência.

Estes mecanismos funcionam em conjunto; a seleção do filtro e a sua colocação correta maximizam a combinação benéfica de captação e condicionamento do fluxo, evitando perdas de pressão excessivas.

7. Escolher a densidade e o tamanho corretos dos poros

A densidade dos poros é frequentemente expressa em PPI (poros por polegada). A troca é simples: mais poros por polegada equivale a uma capacidade de captura mais fina, mas a uma maior resistência e, possivelmente, a taxas de vazamento mais lentas. Utilize a tabela abaixo como um ponto de partida objetivo; valide sempre com ensaios em instalações.

Em caso de dúvida, efetuar um teste de caudal de parafina ou água com uma réplica da geometria de produção para estimar a queda de pressão e o tempo de enchimento antes de finalizar a escolha do PPI.

8. Temperaturas de funcionamento típicas, limites de resistência e de choque térmico

• Intervalos de exposição contínua: muitas espumas de alumina são classificadas até cerca de 1100 °C a 1300 °C, dependendo do grau. Os fornecedores indicam uma temperatura de trabalho ≤1100 °C para os tipos de fundição comuns e até 1200 °C para teores de alumina mais elevados.

• Choque térmico: muitos produtos comerciais sobrevivem a múltiplos ciclos de choque térmico (por exemplo, 800 °C à temperatura ambiente cinco vezes), mas o desempenho depende do programa de sinterização e da microestrutura. Evitar submeter os filtros a choques mecânicos bruscos ou a flexão; a fragilidade é inerente.

• Propriedades mecânicas: a resistência à compressão à temperatura ambiente é tipicamente inferior a metais e é medida em MPa. Manusear com cuidado durante o armazenamento, a inserção e o vazamento.

9. Instalação, manuseamento e melhores práticas

Sugestões práticas para obter um desempenho consistente:

• Orientação: Instalar o filtro de modo a que o metal fundido passe primeiro pela face mais grossa para uma utilização uniforme da profundidade. Para as placas, alinhar a direção do fluxo de acordo com as recomendações do fabricante.

• Assento e apoio: Utilizar um anel de assentamento rígido ou um suporte cerâmico no sistema de comportas para evitar a rutura do filtro e evitar o bypass. Uma pequena gota de cimento refratário no bordo ajuda a evitar fugas de metal.

• Limpeza: Manter os filtros numa embalagem limpa e seca até à sua utilização. A contaminação com humidade ou gordura pode provocar a fragmentação ou a formação de gás durante o vazamento.

• Pré-aquecimento: O pré-aquecimento não é normalmente necessário para tempos de exposição curtos com alumínio fundido, mas para certos derrames lentos ou quando se utilizam placas maiores, uma breve equalização térmica pode reduzir o risco de choque térmico. Seguir as orientações do fornecedor.

• Critérios de rejeição: Se o filtro apresentar fissuras, contaminação visível ou tiver caído, deite-o fora. Substitua também se o caudal for excessivamente baixo durante um teste de vazamento, indicando um bloqueio interno.

10. Comparação da alumina com outros materiais filtrantes cerâmicos

A alumina equilibra o preço com a inércia em relação ao alumínio e é, por isso, muito utilizada na fundição de alumínio. Para o ferro ou o aço, podem ser preferíveis os graus de SiC ou outras composições.

11. Controlo de qualidade, ensaios e critérios de aceitação

Testes de fábrica e documentação importantes que deve solicitar:

• Certificado de composição química apresentando teor de Al₂O₃ e óxidos significativos.

• Verificação da porosidade e do PPI: dados do fornecedor sobre PPI e percentagem de porosidade aberta.

• Tolerâncias dimensionais para o tamanho e espessura da placa.

• Ensaios de choque térmico e de resistênciaNúmero de ciclos até à falha ou ciclos passados num dado delta T.

• Caudal e capacidade de filtragem: ensaios de bancada indicando a tonelagem total filtrada a taxas de vazamento representativas.

Nos filtros de receção, efetuar um teste simples de vazamento simulado de água ou parafina para validar a geometria da instalação e a queda de pressão aproximada antes de passar para o alumínio fundido. Este procedimento é rápido, pouco dispendioso e revela problemas graves de ajuste ou de fluxo.

12. Considerações ambientais, de segurança e de eliminação

• Os filtros de espuma cerâmica são inertes e não perigosos quando intactos; no entanto, o manuseamento de pó cerâmico em pó ou partido pode constituir um risco de inalação, pelo que deve ser utilizado equipamento de proteção individual quando se procede ao corte ou maquinagem.

• Os filtros usados que contêm resíduos metálicos aderentes devem ser tratados como resíduos de fundição; muitas fábricas recuperam o metal por refusão ou eliminação limpa de acordo com os regulamentos locais. Verificar as regras locais relativas aos resíduos de subprodutos de fundição.

13. Exemplos de aplicações práticas e benefícios esperados

• Fundição em areia de caixas para automóveisA mudança de um filtro para uma placa de alumina de 20-30 PPI reduz frequentemente as rejeições relacionadas com a inclusão e diminui o desperdício final da maquinagem.

• Peças fundidas de precisão para o sector aeroespacialA utilização de placas de 30-60 PPI melhora a suavidade da superfície e reduz o trabalho de retificação secundária, mas requer um sistema de regulação ajustado para manter o tempo de enchimento.

• Alimentação de fundição injetada de alto rendimentoBlocos maiores, com baixo PPI, colocados a montante de um jito, reduzem as inclusões grosseiras e estabilizam o fluxo durante derrames de massa elevada.

Os resultados quantificáveis relatados pelos fornecedores e fundições incluem geralmente menos defeitos de porosidade, melhores métricas de tração e alongamento para certas ligas e taxas de refugo reduzidas. As poupanças realizadas dependem da liga, da geometria da fundição e do controlo do processo.

14. Perguntas mais frequentes

1) Como é que decido entre 20 PPI e 30 PPI para a fundição geral de alumínio?
Comece com um PPI de 20-30 na maioria das peças fundidas de uso geral; 20 PPI se a taxa de vazamento for elevada ou a secção transversal da calha for limitada, 30 PPI quando a qualidade da superfície tiver de melhorar e a velocidade de vazamento puder ser controlada. Os ensaios-piloto são essenciais.

2) Os filtros podem ser reutilizados?
Não. Os filtros são de utilização única. Depois de reterem inclusões e de terem sido expostos a metal fundido, deixam de ser eficazes e podem conter resíduos perigosos.

3) É necessário um adesivo ou uma argamassa para vedar o filtro?
Um pequeno cordão de cimento refratário ou um anel de vedação recomendado pela fábrica reduz o desvio. Evitar adesivos orgânicos que ardem e criam gases.

4) Quais são os sinais de que um filtro está entupido?
Um abrandamento súbito do tempo de enchimento, um aumento da perda de carga ou um aumento da temperatura da panela devido a um fluxo mais lento indicam uma obstrução. Substituir por um filtro novo e inspecionar os parâmetros de enchimento.

5) Os filtros de alumina são seguros com ligas que contêm silício ou magnésio?
Sim. Os filtros de alumina são quimicamente compatíveis com as ligas comuns de Al-Si e Al-Mg porque o Al₂O₃ é quimicamente estável em condições normais de fundição.

6) Os filtros de plaquetas ou de favo de mel podem substituir os filtros de espuma?
Os filtros alveolares ou extrudidos têm caraterísticas de fluxo diferentes. As placas de espuma são geralmente melhores para a filtragem em profundidade e para a captura de inclusões, enquanto os favos de mel podem reduzir a turbulência em determinadas geometrias. Teste ambos para o seu sistema.

7) De que tamanho de filtro necessito para uma dose de 300 kg?
O dimensionamento do filtro depende da geometria da porta e do caudal desejado. Os fornecedores fornecem tabelas de caudal que associam o tamanho da placa e o PPI à capacidade de filtragem. Para 300 kg, as escolhas mais comuns são placas de 10-15 polegadas a 20-30 PPI, dependendo da porta. Confirmar com os fluxogramas do fornecedor.

8) Devo pré-aquecer o filtro?
O pré-aquecimento é opcional para a maioria dos trabalhos em alumínio, mas pode ser útil para placas muito grandes ou condições ambientais frias. Siga as diretrizes do fornecedor para evitar choques térmicos.

9) Como é que guardo os filtros?
Manter seco, empilhado numa palete ou prateleira estável, na embalagem original. Evitar a queda ou o impacto; os filtros são frágeis.

10) Quanto é que os filtros acrescentam ao custo da peça?
O custo por peça depende do tamanho do filtro, do PPI e da redução da sucata. O custo unitário para tamanhos comuns de placas é modesto em relação ao valor da peça e é frequentemente recuperado através da redução da sucata e da maquinação; verifique os preços do fornecedor e faça uma estimativa simples do ROI utilizando a redução da sucata, o tempo de maquinação poupado e o custo do filtro.

15. Lista de controlo das aquisições e especificações

• Confirmar o teor de Al₂O₃ e o certificado de análise.

• Selecionar PPI e espessura que correspondam à taxa de vazamento e ao objetivo de qualidade.

• Pedir uma tabela de caudal/capacidade de filtração para os tamanhos de placa escolhidos.

• Pedir dados de ensaios mecânicos e de choque térmico.

• Validar através de uma simulação de laboratório ou de fábrica antes da implementação da produção.