Filtros cerâmicos de metal fundido

Os filtros cerâmicos de metal fundido continuam a ser o método mais fiável e rentável para remover inclusões não metálicas, controlar o fluxo de metal fundido e reduzir os defeitos de fundição em alumínio e muitas ligas fundidas; quando selecionados e aplicados corretamente, melhoram significativamente o rendimento, a maquinabilidade e a consistência do processamento a jusante.

1. Breve história e adoção pela indústria

Os meios porosos cerâmicos para a filtragem de metal fundido tornaram-se populares em meados da década de 1970, depois de os pioneiros industriais terem introduzido filtros com estrutura de espuma que proporcionavam uma captura eficaz de inclusões, mantendo taxas de vazamento adequadas para fundições de produção. Nas décadas seguintes, esta tecnologia alcançou uma ampla aceitação nos sectores automóvel, aeroespacial, de fundição sob pressão e de fundição em geral, graças a melhorias constantes nos produtos químicos cerâmicos e no controlo dos poros.

2. Porque é que os filtros funcionam: mecanismos de captura fundamentais

Os filtros cerâmicos removem as impurezas através de uma mistura de captura de superfície e captura de profundidade. O metal fundido flui através de uma rede altamente tortuosa de poros ligados. As partículas maiores do que as constrições dos poros param à superfície, enquanto as partículas mais pequenas se incorporam nas cavidades interiores dos poros por interceção e colisão inercial. Outros fenómenos que melhoram a retenção incluem:

• Redução da velocidade de fluxo que permite que a escória flutuante suba em vez de ser forçada para dentro do molde.

• Adsorção superficial em paredes cerâmicas de elevada área superficial.

• Criação de um fluxo laminar que evita a entrada de ar fresco e reduz o risco de reoxidação.

Estes efeitos combinados produzem um metal mais limpo que entra na cavidade do molde e uma frente de solidificação mais previsível. Relatórios experimentais e industriais documentam contagens mais baixas de inclusões e porosidade reduzida após a filtração.

3. Famílias de filtros cerâmicos e seleção de materiais

Os principais produtos químicos cerâmicos na filtragem de metais fundidos incluem alumina, mulita, zircónia, misturas de carboneto de silício e cerâmicas alveolares de engenharia. A seleção do material depende da química do metal, da temperatura de vazamento, dos requisitos de molhabilidade e das restrições orçamentais.

• Alumina (Al₂O₃): uma escolha de alta refratariedade com bom desempenho para o alumínio e a maioria das ligas. Equilibra o custo e a resistência química para muitas tarefas de fundição.

• Zircónio (ZrO₂): maior resistência a choques térmicos e a produtos químicos para fundições exigentes e temperaturas de fusão elevadas. Frequentemente selecionado para metais fundidos de alta liga ou reactivos.

• Mullite e misturas de mullite artificiais: oferecem um bom desempenho térmico com um custo de material mais baixo, adequado para operações de rotina de fundição de alumínio.

• Carboneto de silício e compósitos especiais: utilizado quando é necessária uma resistência à abrasão ou um comportamento molhante específico.

A escolha do produto químico correto ajuda a evitar o ataque químico, a manter a integridade estrutural durante o vazamento e a limitar o risco de contaminação do próprio filtro.

4. Geometrias dos filtros e arquitetura dos poros

Duas famílias geométricas principais dominam o mercado:

• Filtros de espuma cerâmicaEstrutura tridimensional de células abertas com gargantas de poros graduados. São excelentes na filtragem em profundidade e no amortecimento da turbulência. Tamanhos de poros normalmente vendidos em classificações PPI (poros por polegada), tais como 10, 15, 20, 25, 30 PPI.

• Cerâmica alveolar e de furos rectosestruturas de canal regulares que proporcionam um caudal previsível e um comportamento laminar; preferidas quando a dinâmica de vazamento repetível é vital.

Os fabricantes adaptam a distribuição dos poros e a geometria da garganta para equilibrar a eficiência da captura com uma queda de pressão e um tempo de vazamento aceitáveis.

5. Seleção do tamanho dos poros e mapeamento da aplicação

A escolha do tamanho dos poros envolve um compromisso entre a captura de inclusões e a resistência ao fluxo. Os poros mais finos capturam contaminantes mais pequenos, mas aumentam o risco de redução da taxa de escoamento e, potencialmente, de maior tensão térmica.

(Utilize a tabela acima para uma seleção rápida. Os fabricantes podem rotular os tamanhos dos poros de forma diferente; consulte sempre as fichas de dados do fornecedor para obter métricas equivalentes).

6. Ganhos de desempenho medidos e métricas de qualidade

A experiência industrial e os estudos controlados mostram benefícios repetíveis após a instalação de filtração cerâmica num processo de fundição:

• Redução do número de inclusões, o que resulta em menos defeitos superficiais e menos defeitos internos.

• Taxas de refugo mais baixas e retrabalho reduzido associados a vazamentos mais limpos. Alguns fornecedores registam melhorias percentuais de dois dígitos no rendimento.

• Melhoria da estabilidade do fluxo e redução da turbulência durante a transferência para o molde, o que reduz os gases arrastados e a reoxidação.

Quantificar os benefícios medindo as contagens de inclusões com análise metalográfica, registando as percentagens de desperdícios antes e depois da filtragem e monitorizando as variações das propriedades mecânicas em cupons de ensaio.

7. Lista de verificação das melhores práticas de seleção

Ao escolher um produto de filtragem, utilize esta lista de verificação:

1. Confirmar a temperatura máxima de vazamento e corresponder à classificação do refratário do filtro.

2. Verificar a compatibilidade química entre o material filtrante e a química da fusão.

3. Selecionar o tamanho dos poros ajustado à distribuição do tamanho da inclusão observada nas amostras de fusão.

4. Escolher dimensões físicas que se adaptem à sua concha de forno, rolha ou caixa de filtro.

5. Considere a rastreabilidade do fornecedor e os dados de inspeção de qualidade para cada lote de produção.

6. Efetuar um pequeno piloto com amostras de peças fundidas e medir os níveis de inclusão, a porosidade e as propriedades mecânicas.

8. Recomendações de instalação e manuseamento

Uma instalação correta evita a contaminação, o choque térmico e a falha prematura:

• Armazenar os filtros num ambiente seco e sem pó e evitar o contacto direto com óleos ou substâncias orgânicas.

• Pré-aqueça os filtros, se recomendado pelo fornecedor, para reduzir o choque térmico durante o primeiro vazamento. Alguns filtros modernos estão prontos para utilização imediata, mas verifique as instruções do fornecedor.

• Posicionar o filtro com o lado grosseiro virado para a massa fundida que entra, se o produto utilizar uma estrutura graduada; isto permite um perfil de captura progressivo e uma vida útil mais longa.

• Evitar forçar o filtro em cavidades apertadas onde possam ocorrer fissuras. Utilizar suportes, placas ou caixas de filtros concebidos para o efeito, sempre que possível.

9. Resolução de problemas e correcções comuns

Problema: Fissuras no filtro durante o vazamento
Causas possíveis e atenuantes: pré-aquecimento incorreto, diferencial súbito de temperatura, montagem deficiente ou força excessiva durante a colocação. Solução: pré-aquecimento controlado, utilização de suportes compatíveis, verificação da tolerância das dimensões do filtro.

Problema: Queda de pressão excessiva e derrames lentos
Causas: seleção de poros demasiado finos, filtro entupido devido a impurezas pesadas ou secção transversal do filtro subdimensionada para a taxa de vazamento. Solução: aumentar a área do filtro, escolher PPI mais grosso, adicionar um segundo filtro em paralelo.

Problema: Não há redução mensurável da inclusão
Causas: química incorrecta que provoca uma humidificação deficiente, caminhos de fluxo de desvio ou velocidade de vazamento demasiado elevada que conduz a reentrada. Solução: confirmar o assentamento do filtro e considerar a geometria em favo de mel para controlo do fluxo laminar.

10. Notas ambientais, de inspeção e de eliminação

Os filtros cerâmicos são inertes e normalmente classificados como resíduos não perigosos depois de arrefecidos e limpos de resíduos metálicos, mas verifique os regulamentos locais para a eliminação de refractários carregados de metal. Os métodos de inspeção incluem verificações visuais simples para detetar fissuras, verificações dimensionais e, ocasionalmente, ensaios não destrutivos para peças críticas e de elevado valor.

11. Integração com o tratamento de fusão e a conceção de gating

Uma abordagem holística da casa de fundição produz os melhores resultados. A filtragem funciona melhor quando combinada com:

• Fluxo e desgaseificação adequados para remover gases dissolvidos e óxidos flutuantes antes da filtração.

• Revestimento de panelas e melhores práticas de escumação para reduzir a carga de escória recebida.

• Desenhos de portas e canais que minimizam a turbulência e permitem que o metal filtrado chegue ao molde sem reoxidação.

A seleção do filtro deve estar alinhada com a geometria da porta. Por exemplo, uma pequena garganta ou curvas acentuadas após um filtro podem gerar turbulência e anular o benefício do filtro.

12. Comparação com meios filtrantes alternativos

A seleção de um meio depende da tolerância a defeitos, da taxa de produção e da economia da fundição. As opções de cerâmica geralmente fornecem os melhores resultados de qualidade para peças fundidas de alumínio críticas.

13. Normas, ensaios de aceitação e verificação

Etapas de verificação da qualidade:

• Metalografiaexaminar as secções transversais para verificar a distribuição do tamanho das inclusões

• Ensaios de limpeza da fusão: efetuar o derrame da amostra e a contagem de partículas, se disponível

• Ensaios mecânicos: ensaios de tração, fadiga ou dureza de amostras representativas para correlacionar os efeitos do filtro com o desempenho

A documentação de CQ do fornecedor inclui normalmente certificados de matérias-primas, dados de distribuição de porosidade e janelas de funcionamento recomendadas.

14. Quadros de referência rápida

Tabela 1. Materiais e principais propriedades

As fontes variam consoante o fabricante; verificar a folha de dados para obter os limites exactos de temperatura.

Tabela 2. Tamanhos típicos de poros e resultados de fundição

As convenções de rotulagem dos fornecedores são diferentes; consulte as tabelas de equivalência dos fornecedores.

Quadro 3. Lista de controlo do manuseamento

15. FAQs

1. Os filtros de cerâmica alteram a química da liga?
Não. Os filtros cerâmicos corretamente fabricados são quimicamente inertes com uma dissolução mínima nas principais ligas de alumínio quando utilizados dentro das janelas de temperatura recomendadas. Selecionar a química do filtro para evitar reacções com elementos de liga específicos.

2. Posso reutilizar os filtros de cerâmica?
A utilização única é a norma para os filtros de espuma e alveolares na fundição de produção. A reutilização pode comprometer a distribuição da porosidade e o risco de contaminação, pelo que não deve ser reutilizada em aplicações críticas. As orientações do fabricante devem ser seguidas.

3. A filtragem vai atrasar a minha linha de produção?
Um filtro fino pode reduzir a taxa de vazamento se a área do filtro for subdimensionada. Filtros corretamente dimensionados ou disposições de filtros paralelos mantêm tempos de ciclo aceitáveis, melhorando a qualidade.

4. Que material filtrante é adequado para ligas de alta temperatura?
As cerâmicas à base de zircónia ou as misturas de alta refractariedade concebidas suportam temperaturas de fusão mais elevadas e produtos químicos agressivos melhor do que a alumina padrão. Verificar as classificações da folha de dados.

5. Como é que a contagem de poros se relaciona com a captura de inclusões?
Um PPI mais elevado significa normalmente uma garganta de poros média mais pequena e uma melhor captura de partículas finas, mas um PPI mais elevado pode causar uma maior queda de pressão. Equilibrar a contagem de poros com a área do filtro.

6. Que testes provam que um filtro funciona?
Efectue contagens de inclusões metalográficas, execute testes mecânicos em peças representativas e compare as taxas de desperdício antes e depois da introdução do filtro. Os ensaios-piloto controlados fornecem dados fiáveis.

7. Os filtros podem remover gases dissolvidos?
Os filtros removem óxidos arrastados e inclusões de partículas. Os gases dissolvidos requerem técnicas de desgaseificação, tais como desgaseificadores rotativos ou fluxo antes da filtração. Combine ambos os métodos para obter melhores resultados.

8. Os filtros alveolares de cerâmica são melhores do que os de espuma para todas as tarefas?
Os filtros em favo de mel proporcionam um fluxo laminar previsível que beneficia os derrames de secção fina. Os filtros de espuma proporcionam uma captura mais profunda e funcionam bem para fusões pesadas de inclusão. Escolha por perfil de defeito e desenho de porta.

9. Como avaliar o estado do filtro antes da utilização?
Inspecionar visualmente a existência de fissuras, confirmar as dimensões, verificar o histórico de pré-aquecimento recomendado, se fornecido, e verificar a rotulagem PPI correta. Utilizar apenas produtos verificados de fornecedores idóneos.

10. Que regras de tratamento ambiental são aplicáveis?
Os filtros usados com metal aderente devem passar pelos canais de recuperação da fundição, sempre que possível. A eliminação final depende dos regulamentos locais para refractários com resíduos metálicos. Consultar a orientação regulamentar.