Interpretação de defeitos comuns, como cavidades de retração, porosidade de retração, inclusão de escória e flutuação de grafite em componentes de ferro fundido

O ferro dúctil, amplamente desenvolvido na China nos últimos 40 anos, é um material de fundição forte, resistente e econômico. Sua estrutura esférica de grafite reduz a concentração de tensões, proporcionando melhor resistência à tração, plasticidade e tenacidade do que outros ferros fundidos. Embora sua plasticidade seja inferior à do aço, ele oferece resistência à fadiga comparável e uma alta relação de limite de escoamento (0,7–0,8), que é quase o dobro do aço carbono comum. No entanto, o ferro dúctil também enfrenta defeitos de fundição únicos, tais como:

1 Cavidade de contração e porosidade

2 Inclusão de escória

3 Porosidade subcutânea

4 Grafite flutuante

5 Má esferoidização e recessão

Esses defeitos afetam o desempenho e aumentam as taxas de refugo. Para melhorar a qualidade e reduzir o desperdício, é essencial analisar as causas, controlar os fatores que influenciam e aplicar técnicas de fundição de precisão.

1. Encolhimento e porosidade

1.1. Vários fatores influenciam a formação de cavidades de contração e porosidade em peças fundidas de ferro dúctil:

1. Carbono Equivalente (CE)

• Maior teor de carbono aumenta a expansão da grafitização e melhora a fluidez, reduzindo o encolhimento.

• Fórmula ideal: C% + 1/7Si% > 3,9%

• CE excessivamente alto pode causar flutuação de grafite.

  
  

2. Fósforo (P)

• Aumenta a faixa de solidificação e enfraquece a carcaça da peça fundida, levando a mais defeitos de contração.

• Deve ser controlado abaixo de 0,08%.

3. Terras Raras e Magnésio (RE e Mg)

• O excesso de RE e Mg pode reduzir a esferoidização da grafite e promover a estrutura branca, aumentando os riscos de encolhimento.

4. Espessura da parede

• Seções grossas retêm o calor por mais tempo, aumentando o encolhimento do líquido.

• Mudanças repentinas na espessura da parede podem levar a pontos quentes isolados e má alimentação.

5. Temperatura de vazamento

• Deve equilibrar fluidez e encolhimento:
  1300–1350°C é geralmente apropriado.

• Muito alto aumenta o encolhimento do líquido; muito baixo corre o risco de enchimento deficiente.

6. Compactação do molde de areia

• A compactação baixa ou irregular pode causar expansão da cavidade, levando à alimentação inadequada e ao encolhimento.

7. Projeto do sistema de vazamento e alimentação

• A configuração inadequada do riser, do gate ou do resfriamento interrompe a solidificação sequencial e reduz a eficácia da alimentação.

1.2. Para reduzir as cavidades de contração e a porosidade no ferro dúctil, devem ser implementadas as seguintes estratégias preventivas:

1. Controle a composição do ferro fundido

• Equivalente de alto carbono: > 3,9%

• Baixo fósforo: <0,08%

• Baixo magnésio residual: <0,07%

• Use liga de terras raras e magnésio e controle os óxidos residuais de terras raras em 0,02–0,04%

2. Design de processo otimizado

• Garanta a alimentação contínua dos risers durante a solidificação.

• Use tamanho e quantidade adequados de riser para permitir a solidificação sequencial.

3. Uso de arrepios e subsídios

• Aplicar conforme necessário para ajustar a distribuição da temperatura, promovendo a solidificação direcional.

4. Parâmetros de vazamento

• Temperatura de vazamento: 1300–1350°C

• Conclua o vazamento em 25 minutos para evitar a recessão da esferoidização.

5. Melhorar a qualidade do molde

• Compactação da areia: ≥ 90

• Garanta compactação uniforme e teor de umidade adequado para manter a rigidez do molde.

2. Inclusão de escória

2.1. A inclusão de escória é um defeito comum no ferro dúctil, causado principalmente pelas condições químicas e físicas durante a fusão e o vazamento. Os principais fatores de influência incluem:

1. Silício (Si)

• O óxido de silício é o principal componente da escória.

• O excesso de silício aumenta o risco de formação de escória.

2. Enxofre (S)

• Forma sulfurato de baixo ponto de fusão que aumenta a viscosidade do ferro fundido, dificultando a separação da escória.

• O enxofre deve ser mantido abaixo de 0,06%.

• Níveis acima de 0,09–0,135% aumentam acentuadamente as inclusões de escória.

3. Terras Raras e Magnésio (RE e Mg)

• A oxidação desses elementos leva à formação de escória.

• O excesso de RE e Mg residual deve ser evitado.

4. Temperatura de vazamento

• Muito baixo: A alta viscosidade evita o aumento de escória e óxidos.

• Muito alto: A escória superficial torna-se fina e flui para dentro do molde.

• A temperatura adequada deve considerar o equilíbrio carbono-silício.

5. Projeto do sistema de vazamento

• Deve incluir recursos de bloqueio de escória.

• Deve minimizar respingos e turbulência para um preenchimento suave do molde.

6. Qualidade da areia de moldagem

• Areia ou revestimento aderido podem combinar-se com óxidos para formar escória.

• A compactação irregular leva à erosão do metal, criando compostos de baixo ponto de fusão que causam inclusão de escória.

2.2. Para minimizar defeitos de inclusão de escória, deverão ser implementadas as seguintes medidas:

1. Controle de composição de ferro fundido

• Mantenha o teor de enxofre <0,06%

• Adicione 0,1–0,2% de liga de terras raras para purificar o ferro fundido

• Reduza os níveis residuais de silício e magnésio

2. Processo de fundição otimizado

• Aumente a temperatura de vazamento para ajudar na separação da inclusão

• Realize sedimentação (sedação) para permitir que as inclusões flutuem

• Remova a escória da superfície e aplique agentes de cobertura (por exemplo, perlita ou cinza vegetal) para evitar oxidação

• Use uma temperatura de vazamento ≥ 1350°C

3. Projeto de sistema de vazamento aprimorado

• Garanta um fluxo suave de metal

• Incorporar sacos coletores de escória e dispositivos de bloqueio de escória (por exemplo, filtros de escória)

• Evitar a erosão da areia no sprue

4. Garantia de qualidade do molde

5. Mantenha compactação uniforme e resistência adequada

• Limpe bem a cavidade do molde antes de fechar a caixa para evitar areia ou escória relacionada a detritos

3. Grafite Flutuante

3.1. A flutuação da grafite ocorre quando o excesso de grafite se separa do ferro fundido e sobe para a parte superior da peça fundida, levando a uma estrutura não uniforme e propriedades mecânicas enfraquecidas. Os principais fatores incluem:

1. Carbono Equivalente (CE)

• Principal causa da flutuação do grafite.

• CE elevado → precipitação excessiva de grafite → aumento de grafite devido à menor densidade e vapor de magnésio.

• Fundições maiores e mais espessas são mais propensas a esse defeito.

2. Silício (Si)

• A redução do teor de silício (em um CE fixo) ajuda a reduzir a tendência de flutuação.

3. Conteúdo de terras raras (RE)

• Baixo RE reduz a solubilidade do carbono, levando a mais precipitação de grafite e agravamento da flutuação.

4. Esferoidização e temperatura de inoculação

• Faixa ideal: 1380–1450°C

• Temperaturas mais altas dentro desta faixa melhoram a absorção de Mg e RE, reduzindo a segregação.

5. Temperatura de vazamento

• Uma temperatura de vazamento mais alta aumenta a flutuação da grafite devido ao estado fundido prolongado e à maior formação de grafite.

6. Tempo de retenção após a inoculação

• Atrasos entre a inoculação e o vazamento permitem que o grafite se forme e flutue.

• Deve ser mantido abaixo de 10 minutos para minimizar o risco.