Como fazer um filtro de cerâmica

O fabrico de um filtro cerâmico de alto desempenho depende principalmente da técnica de replicação de esponjas poliméricas. Este processo industrial envolve a impregnação de uma espuma de poliuretano de células abertas reticulada com uma pasta cerâmica tixotrópica (normalmente carboneto de silício, alumina ou zircónio). Depois de a espuma estar completamente revestida e de o material em excesso ser removido para evitar bloqueios, a unidade é submetida a secagem e a uma cozedura rigorosamente controlada. Durante a fase de sinterização, a espuma interna de polímero queima completamente, deixando para trás uma réplica de cerâmica com uma rede precisa de vazios interligados. Esta estrutura permite a passagem do metal fundido, ao mesmo tempo que retém fisicamente as impurezas e suaviza a turbulência do fluxo.

A engenharia por trás dos filtros de espuma de cerâmica

O fabrico de cerâmicas porosas para a filtragem de metais fundidos não se limita a moldar a argila. Trata-se de um desafio preciso de engenharia química e térmica. Em ADtech, Na nossa opinião, a produção de filtros cerâmicos é um equilíbrio entre a reologia (fluxo de matéria) e a termodinâmica.

O objetivo é criar uma estrutura que possa suportar choques térmicos extremos - muitas vezes passando da temperatura ambiente para mais de 1500°C em segundos - sem fissuras. Para o conseguir, a linha de fabrico deve controlar as variáveis até ao nível do mícron.

Porque é que o método de replicação com esponja é dominante

Embora existam outros métodos, como a formação direta de espuma ou a adição de agentes formadores de poros a uma mistura sólida, o método de replicação de esponja continua a ser o padrão da indústria. Oferece o controlo mais consistente do tamanho dos poros (medido em PPI ou poros por polegada) e da porosidade total. Este método assegura que o produto final tem a resistência mecânica necessária para resistir à pressão ferro-estática do metal fundido.

Etapa 1: Seleção e preparação da matéria-prima

A base de qualquer filtro de alta qualidade é o pó. Não podemos simplesmente utilizar um pó cerâmico genérico. A distribuição do tamanho das partículas (PSD) deve ser calculada para garantir uma embalagem estanque durante a sinterização.

Os Agregados

A escolha do agregado define a aplicação do filtro.

• Carboneto de silício (SiC): Utilizado principalmente para ligas de ferro e cobre. Possui uma excelente resistência ao choque térmico.

• Óxido de alumínio (Al2O3): Ideal para a filtragem de alumínio. É quimicamente estável e resiste à corrosão do alumínio fundido.

• Zircónio (ZrO2): Necessário para aplicações em aço com temperaturas superiores a 1600°C.

Os aglutinantes e os agentes reológicos

A “cola” que mantém as partículas de cerâmica unidas antes da cozedura é fundamental. Utilizamos uma combinação de aglutinantes de fosfato ou sílica coloidal. No entanto, o segredo para um revestimento perfeito reside na modificadores reológicos. Estes aditivos controlam a viscosidade da pasta. Se a pasta for demasiado espessa, obstrui os poros interiores. Se for demasiado fina, escorre da esponja, resultando num esqueleto de filtro fraco que colapsa sob a pressão do metal fundido.

Quadro 1: Composição do material e matriz de aplicação

Material de base	Componente principal	Temperatura de queima (°C)	Aplicação primária	Resistência ao choque térmico
Alumina	Al₂O₃ (>85%)	1100 – 1350	Ligas de alumínio	Bom
Carboneto de silício	SiC (>70%)	1150 – 1450	Ferro, Ferro cinzento, Bronze	Excelente
Zircónio	ZrO₂ (>95%)	1600 – 1700	Aço carbono, aço inoxidável	Elevado
Mullite	3Al₂O₃-2SiO₂	1300 – 1500	Ferro a baixa temperatura	Moderado

Passo 2: A preparação crítica da lama

Esta fase distingue um filtro medíocre de um filtro ADtech premium. A preparação da pasta é um processo de mistura em várias fases.

Protocolos de mistura

1. Mistura a seco: Os pós cerâmicos e os aditivos sólidos são tombados para garantir uma distribuição homogénea das dimensões das partículas.

2. Adição de líquido: A água raramente é utilizada isoladamente. Utilizamos uma mistura de água, antiespumantes e dispersantes. O líquido é adicionado lentamente ao pó sob uma mistura de alto cisalhamento.

3. Desarejamento: As bolhas de ar na pasta são fatais. Se uma bolha de ar formar uma bolsa no revestimento cerâmico, cria-se um ponto fraco que irá rachar quando o metal fundido o atingir. Utilizamos câmaras de desarejamento a vácuo para remover o gás arrastado da pasta antes de esta entrar em contacto com a esponja.

Controlo da tixotropia

O chorume deve ser tixotrópico. Isto significa que se torna fluida quando agitada (durante o processo de revestimento), mas solidifica rapidamente quando em repouso. Esta propriedade garante que, uma vez revestida a esponja, a cerâmica permanece nos fios da espuma e não escorre para o fundo do filtro.

Etapa 3: Preparação do suporte (a esponja)

A espuma de poliuretano (PU) actua como o modelo de sacrifício. Determina o PPI do produto final.

Corte e inspeção

Os grandes pães de espuma de PU são cortados nas dimensões específicas exigidas pela fundição, como 7×7 polegadas ou 23×23 polegadas.

Controlo crucial: A espuma deve ser “reticulada”. Isto significa que as membranas celulares (janelas) entre os suportes da espuma devem estar completamente abertas. Se a espuma tiver janelas fechadas (superfícies brilhantes), a pasta cerâmica não consegue penetrar, resultando num filtro bloqueado. Utilizamos câmaras de reticulação térmica para abrir quaisquer membranas celulares remanescentes na espuma em bruto.

Etapa 4: Impregnação e remoção do excesso

Este é o coração físico do processo “como fazer um filtro de cerâmica”.

A imersão

As peças de espuma cortadas são submersas na pasta preparada. Numa linha automatizada, os êmbolos comprimem a espuma várias vezes enquanto está submersa. Esta compressão e relaxamento repetidos forçam o ar a sair da esponja e sugam a pasta cerâmica pesada para todos os espaços vazios.

Prensagem de rolos (pré-ajuste da porosidade)

Uma esponja embebida é essencialmente um bloco de lama. A sua porosidade é nula. Para restaurar a estrutura aberta, a espuma húmida passa por rolos pré-definidos.

1. Distância de separação: A distância entre os rolos determina a quantidade de lama que permanece nas escoras.

2. Pressão: Demasiada pressão danifica os delicados ligamentos da espuma. Demasiada pouca pressão deixa os poros obstruídos.

3. Jato de ar: Para filtros de PPI elevado (como 50 ou 60 PPI), os rolos não são suficientes. Utilizamos bicos de ar de precisão que sopram ar comprimido através do filtro húmido para limpar os caminhos mais pequenos sem retirar o revestimento das escoras.

Etapa 5: Secagem controlada

Não se pode deitar um filtro molhado num forno. A água deve evaporar-se lentamente. Se a água se transformar rapidamente em vapor no interior do revestimento cerâmico, o revestimento explodirá de dentro para fora (spalling).

• Secadores de túnel: Os filtros passam por túneis com humidade controlada.

• Gradiente de temperatura: Começamos com temperaturas baixas (40°C) e humidade elevada, aumentando gradualmente o calor e diminuindo a humidade. Isto faz com que a humidade passe do centro do filtro para a superfície.

• Duração: Este processo demora normalmente 12 a 24 horas, consoante a espessura do filtro.

Etapa 6: Sinterização e fase de queima

O processo de cozedura cria a ligação final da cerâmica. Isto acontece em fornos de túnel de alta temperatura ou em fornos de vaivém.

Fase A: Volatilização (A fase de fumo)

Entre 300°C e 600°C, a esponja de poliuretano no interior do revestimento cerâmico começa a decompor-se. Este é um momento delicado. A esponja deve transformar-se em gás e sair através do revestimento cerâmico poroso sem se expandir tanto que rache o invólucro não queimado. Os fornos ADtech utilizam uma atmosfera rica em oxigénio nesta zona para garantir uma combustão limpa do polímero.

Fase B: Formação da ligação cerâmica

À medida que a temperatura sobe para além dos 1000°C, os auxiliares de sinterização na pasta são activados. As partículas individuais de pó começam a fundir-se.

• Para carboneto de silício: O aglutinante de sílica cria uma ligação vítrea (vítrea) que fixa as partículas de SiC.

• Para Alumina: Ocorre a sinterização em estado sólido, onde os limites dos grãos se fundem.

Fase C: Arrefecimento

O arrefecimento deve ser tão lento como o aquecimento. O arrefecimento rápido induz stress térmico. Os filtros são levados à temperatura ambiente durante várias horas para manter a sua integridade estrutural.

Secção 7: Controlo de qualidade e métricas de desempenho

Fabricar o filtro é apenas metade da batalha. Verificar o seu desempenho é obrigatório antes de o enviar para uma fundição.

Inspeção física

Os sistemas de visão automatizados analisam todos os filtros. Eles procuram por:

• Poros obstruídos: Áreas em que a lama preencheu a lacuna e não ficou limpa.

• Fendas: Fracturas capilares devido à secagem.

• Dimensões: Assegurar que o filtro se adapta perfeitamente à porta de fundição.

Ensaios destrutivos

Retiramos amostras aleatórias de cada lote para destruição.

1. Força de esmagamento a frio: Esmagamos o filtro para medir o peso que pode suportar. Um filtro normal de 50x50x22mm deve suportar uma pressão significativa.

2. Teste de choque térmico: Aquecemos o filtro a 1200°C e deixamo-lo cair em água fria. Tem de permanecer intacto. Se se partir, o lote é rejeitado.

Quadro 2: Defeitos comuns e causas de fabrico

Tipo de defeito	Aparência	Causa raiz na produção
Poros cegos	Cerâmica sólida que bloqueia o fluxo de ar	Viscosidade da pasta demasiado elevada; sopro de ar insuficiente
Fendas na Web	Pequenas fissuras nas escoras	Secagem demasiado rápida; problemas de migração do ligante
Baixa resistência	Desfaz-se facilmente	Temperatura de sinterização demasiado baixa; rácio de ligante deficiente
Enegrecimento do núcleo	Centro escuro após o disparo	Queima incompleta da esponja (falta de oxigénio no forno)

Estudo de caso: Resolução de problemas de sucata no Vietname

Cliente: Fundição de alumínio de médio porte

Localização: Hai Phong, Vietname

Data: março de 2023

O desafio:

A fundição produzia componentes complexos para motores de motociclos. Estavam a registar uma taxa de refugo de 22% devido a inclusões não metálicas e películas de óxido nas suas peças fundidas. Estavam a utilizar uma malha de fibra de vidro básica para filtragem, que estava a derreter e a falhar sob o calor de grandes vazamentos.

A solução ADtech:

Analisámos os seus requisitos de temperatura de vazamento (720°C) e de caudal. Fizemos a transição da malha para os filtros de espuma cerâmica de alumina ADtech (40 PPI).

1. Colocação: Redesenhámos o seu sistema de comportas para acomodar o meio filtrante cerâmico rígido.

2. Seleção: Escolhemos 40 PPI para capturar óxidos finos sem restringir a velocidade de fluxo necessária para encher o molde antes da solidificação.

O resultado:

Em 30 dias após a implementação, a taxa de refugo caiu de 22% para 7%. A estrutura cerâmica suavizou o fluxo de metal, reduzindo a turbulência (que causa mais óxidos). O cliente relatou superfícies de maquinação mais limpas e um menor desgaste das ferramentas a jusante.

Porque é que os filtros “caseiros” falham

As consultas de pesquisa perguntam frequentemente sobre como fazer filtros de cerâmica em casa. Embora os amadores possam tentar fazê-lo, os resultados raramente resistem ao metal fundido.

1. Limitações do forno: A maioria dos fornos de hobby não tem o controlo preciso da atmosfera necessário para queimar a espuma de PU sem rachar o casco.

2. Química de lamas: Sem dispersantes industriais, as pastas caseiras separam-se. As partículas pesadas afundam-se, deixando uma camada fraca no topo do filtro.

3. Risco de segurança: Se um filtro caseiro falhar durante um vazamento, pode fazer com que o molde transborde transborde ou expluda devido à retenção de humidade. Para a segurança industrial, os filtros ADtech certificados são a única opção viável.

Especificações técnicas para os filtros ADtech

Ao encomendar ou fabricar filtros, a compreensão das especificações padrão ajuda a selecionar a máquina ou o produto certo.

Quadro 3: Especificações de produção padrão da ADtech

Imóveis	Alumina (Al2O3)	Carboneto de silício (SiC)	Zircónio (ZrO2)
Densidade de poros (PPI)	10, 20, 30, 40, 50, 60	10, 20, 30, 40	10, 20, 30
Porosidade (%)	80 – 90%	80 – 85%	75 – 85%
Densidade a granel (g/cm³)	0.35 – 0.55	0.35 – 0.50	0.80 – 1.0
Resistência à compressão	> 1,0 MPa	> 1,2 MPa	> 1,5 MPa
Temperatura máxima de funcionamento	1200°C	1500°C	1700°C

Considerações avançadas: Fabrico ecológico

O fabrico moderno requer atenção ao impacto ambiental. Na ADtech, concentramo-nos em:

• Reciclagem do excesso de lama: O gotejamento da fase de impregnação é recolhido, controlado quanto à densidade e reintroduzido no misturador.

• Sistemas de lavagem: A fase de combustão liberta isocianatos da espuma de poliuretano. Utilizamos pós-combustores e depuradores de alta temperatura para neutralizar estes gases antes de saírem da chaminé da fábrica.

Perguntas mais frequentes (FAQs)

Aqui estão as perguntas mais comuns sobre a produção e aplicação de filtros de cerâmica.

1. Qual é o principal material utilizado para fazer a “esponja” no interior do filtro?

A esponja interna é feita de espuma de poliuretano (PU) reticulada. A sua escolha deve-se ao facto de se queimar de forma limpa (volatiliza) a altas temperaturas, deixando muito poucos resíduos de cinzas no interior da estrutura cerâmica.

2. Como é que se controla a dimensão dos poros do filtro de cerâmica?

O tamanho dos poros é determinado inteiramente pelo PPI (Pores Per Inch - poros por polegada) da esponja de PU utilizada como base. Se começarmos com uma esponja de 30 PPI, o filtro cerâmico final terá aproximadamente 30 PPI, embora a espessura do revestimento reduza ligeiramente o tamanho da abertura.

3. Posso utilizar estes filtros para filtrar a água?

Embora o mecanismo seja semelhante, os filtros metalúrgicos são concebidos para metal fundido. Os seus poros são demasiado grandes para apanhar bactérias ou sedimentos finos na água. Os filtros de água utilizam normalmente cerâmicas microporosas com aberturas submicrónicas, fabricadas através de um processo de prensagem diferente.

4. O que acontece se a temperatura de sinterização for demasiado baixa?

Se a temperatura for demasiado baixa, a ligação cerâmica não se formará completamente. O filtro terá um aspeto correto mas terá uma baixa resistência mecânica. É provável que se desfaça ou se desfaça quando atingido pelo fluxo pesado de metal fundido.

5. Porque é que alguns filtros são cor-de-rosa e outros são cinzentos?

A cor indica o material. Rosa ou branco indica normalmente Alumina (para alumínio). Cinzento ou preto indica normalmente carboneto de silício (para ferro/cobre). Amarelado ou bronzeado indica normalmente Zircónia (para aço).

6. Quanto tempo demora o processo de fabrico?

Desde a mistura da pasta até ao controlo de qualidade final, o ciclo demora cerca de 3 a 4 dias. Isto tem em conta os tempos de repouso necessários para a pasta, as curvas de secagem lentas e o longo ciclo de cozedura.

7. Qual é o prazo de validade de um filtro de espuma de cerâmica?

Se forem armazenadas num ambiente seco, podem durar anos. No entanto, como as cerâmicas são higroscópicas (absorvem a humidade do ar), recomendamos que sejam utilizadas no prazo de 1 a 2 anos ou que sejam secas num forno antes de serem utilizadas, caso tenham estado em condições de humidade.

8. O filtro de cerâmica pode ser reutilizado?

Não. Uma vez utilizado na fundição de metal, o filtro fica cheio de metal solidificado e impurezas retidas. Passa a fazer parte da sucata de fundição (sistema de gates) e é normalmente refundido (com a cerâmica a flutuar para o topo como escória) ou eliminado.

9. O que é o “choque térmico” neste contexto?

O choque térmico refere-se à rápida expansão causada pela diferença de temperatura entre o filtro frio (25°C) e o metal fundido (700°C - 1500°C). O processo de fabrico deve garantir que a cerâmica tem um baixo coeficiente de expansão térmica para sobreviver a este pico instantâneo.

10. Porquê escolher os filtros ADtech em vez de concorrentes mais baratos?

Os filtros baratos sofrem frequentemente de “poros cegos” (bloqueios internos) ou esqueletos fracos que se partem e contaminam a fundição. A ADtech utiliza impregnação automatizada e curvas de cozedura rigorosas para garantir que cada filtro tem caudais consistentes e integridade estrutural.

Conclusão

Masterização como fazer um filtro de cerâmica é uma convergência da ciência dos materiais e da precisão mecânica. Requer uma reologia exacta da pasta para revestir a espuma sem a obstruir e um perfil térmico preciso para sinterizar a cerâmica sem a fissurar. Para as fundições, a qualidade do filtro determina a qualidade da peça fundida final.

Em ADtech, Desde o início da nossa atividade, aperfeiçoámos este processo para fornecer soluções de filtragem que melhoram o rendimento e reduzem o desperdício. Quer esteja a fundir alumínio aeroespacial ou maquinaria pesada de ferro, confiar num filtro fabricado profissionalmente é o caminho mais seguro para a qualidade.