Como se formam as rachaduras nas peças fundidas? Causas, Prevenção, Soluções

Introdução

Elenco rachaduras são um dos defeitos mais prevalentes e destrutivos na fabricação de peças fundidas de metal.

Eles comprometem gravemente a integridade estrutural, estabilidade dimensional, desempenho mecânico e segurança de serviço de componentes fundidos, levando a altas taxas de sucata, aumento dos custos de produção e redução da vida útil do equipamento.

Na produção de fundição industrial, as fissuras são cientificamente categorizadas em dois tipos exclusivos com base no estágio de formação, mecanismo microscópico, características morfológicas e estado de estresse: rachaduras quentes (lágrimas quentes) e rachaduras frias (lágrimas frias).

Trincas a quente ocorrem no estágio final de solidificação do metal fundido, enquanto fissuras a frio se formam após a solidificação completa durante a fase de resfriamento elástico de baixa temperatura.

Os dois tipos de defeitos diferem drasticamente na morfologia macroscópica, modo de expansão microscópica, causas raízes e sistemas de liga suscetíveis.

Uma compreensão sistemática de seus mecanismos de formação e estratégias de resolução direcionadas é essencial para que os engenheiros de fundição otimizem os processos de fundição., eliminar defeitos de trincas e melhorar a taxa de rendimento de peças fundidas de alta qualidade.

Este artigo elabora as características dimensionais completas, princípios de formação, principais fatores indutores e medidas preventivas padronizadas & soluções corretivas para moldar trincas a quente e trincas a frio.

1. Rachaduras Quentes: Mecanismo de Formação, Características e Soluções

Trincas a quente são defeitos típicos de fundição em alta temperatura que surgem no estágio de solidificação tardia ou imediatamente após a solidificação, quando a liga fundida retém resistência extremamente baixa e baixa tenacidade plástica.

Eles são comuns em fundições de aço, fundições de ferro maleável e fundições de liga leve, e são fundamentalmente impulsionados pela tensão de contração contínua e pela tensão térmica durante a solidificação.

Características morfológicas e estruturais típicas

As fissuras a quente possuem características visuais e microscópicas únicas que as distinguem das fissuras a frio.:

Forma macro:

As linhas de rachadura são tortuosas, espessura irregular e desigual, apresentando ampla abertura externa e estreitamento gradual da seção interna com rasgo típico, Estado de fratura “parcialmente conectado”.

Recursos de oxidação de superfície:

Superfícies de fissuras formam camadas de óxido distintas sem brilho metálico.
As rachaduras quentes na fundição de aço aparecem quase pretas, enquanto as rachaduras da liga de alumínio mostram um tom cinza fosco devido à oxidação em alta temperatura.

Modo de expansão microscópica:

Rachaduras quentes germinam e se expandem ao longo dos limites dos grãos, qual é a sua principal característica de identificação microscópica.

Classificação:

Dividido em trincas a quente externas e trincas a quente internas.
Rachaduras externas são visíveis na superfície da peça fundida, distribuído principalmente em cantos agudos, transições abruptas de espessura de parede e áreas concentradas de tensão com solidificação local lenta, e pode até penetrar toda a seção transversal da peça fundida em casos graves.
Trincas internas a quente se formam na zona de solidificação final dentro das peças fundidas, acompanhado por estruturas cristalinas dendríticas, e raramente se estendem para a superfície externa.

Mecanismo de Formação Central

Depois que o metal fundido é derramado no molde, o calor se dissipa para fora através da parede do molde, fazendo com que a solidificação comece a partir da superfície de fundição e se estenda gradualmente para dentro.

Na fase final de solidificação, cristais dendríticos se sobrepõem para formar um esqueleto sólido rígido e iniciam o encolhimento linear.

Nesta fase, uma fina película de metal líquido não solidificado ainda existe entre dendritos adjacentes.

Se o encolhimento do esqueleto dendrítico estiver completamente desobstruído, nenhum estresse interno será gerado.

No entanto, quando a contração sólida é restringida por barreiras externas, como moldes de areia, núcleos de areia e fricção de molde, tensão de tração se acumula dentro da peça fundida.

Uma vez que a tensão de tração excede a resistência máxima da liga em altas temperaturas, rachadura intergranular ocorre entre dendritos.

A ocorrência de trincas a quente depende da reposição de metal líquido após a trinca.

Se metal fundido suficiente preencher as lacunas rachadas a tempo, defeitos não se formarão; se as rachaduras não puderem ser preenchidas, rachaduras a quente permanentes se desenvolverão.

Ligas com uma ampla faixa de temperatura de solidificação e características de solidificação tipo pasta esponjosa são altamente suscetíveis a trincas a quente.,

enquanto ligas eutéticas com solidificação a temperatura constante têm a menor tendência à trinca a quente.

Principais fatores indutores

A formação de fissuras a quente é o resultado combinado do projeto estrutural, qualidade de fundição e parâmetros do processo de fundição:

1. Defeitos estruturais: Espessura de parede irregular, filetes internos excessivamente pequenos, ramificação excessiva de partes sobrepostas, e estruturas rígidas ou de nervuras que bloqueiam o encolhimento sólido livre das peças fundidas.
2. Irracionalidades do processo: Tamanho e posição inadequados dos sistemas de comporta e riser que restringem o encolhimento;
   agitação prematura do molde, levando a um resfriamento rápido e irregular; resistência excessiva do molde com baixa deformabilidade.
3. Problemas de composição química e de materiais: Ligas com altas taxas de retração linear; elementos excessivos de impureza de baixo ponto de fusão;
   teor excessivo de enxofre e fósforo em peças fundidas de aço e ferro que deterioram a tenacidade a altas temperaturas.

Resolução Sistemática e Medidas Preventivas

Otimize o projeto estrutural de fundição

Padronize o projeto estrutural para eliminar riscos inerentes de concentração de tensão: garantir espessura uniforme da parede das peças fundidas, defina filetes de transição arredondados em todos os cantos agudos para amortecer a tensão de contração,

e adotar estruturas de raios curvos para peças fundidas de rodas para liberar efetivamente a resistência ao encolhimento.

Melhorar a qualidade da fundição de liga fundida

Adote processos de refino e desgaseificação para remover inclusões de óxidos e gases dissolvidos em metal fundido, purificar a microestrutura da liga.

Controle rigorosamente o conteúdo de impurezas prejudiciais, como enxofre e fósforo, e evitar fases excessivas de baixo ponto de fusão para estabilizar a resistência a altas temperaturas e a plasticidade da liga.

Otimize os parâmetros do processo de fundição

Implementar o princípio de solidificação simultânea para equilibrar a taxa de resfriamento de todas as peças fundidas e minimizar as diferenças de tensão térmica.

Projete dimensões e layout razoáveis ​​de comportas e risers para evitar obstrução por contração.

Estenda o tempo de retenção das peças fundidas no molde de areia para obter distribuição uniforme de temperatura e reduzir o estresse térmico interno.

Melhorar a deformabilidade de moldes de areia e núcleos de areia, remova antecipadamente os pesos de fixação do molde e os dispositivos de fixação,

e escavar parcialmente areia de moldagem redundante para peças fundidas grandes para reduzir a resistência ao encolhimento.

Padronize a operação pós-fundição

Evite colisão, extrusão e vibração violenta durante a agitação, limpeza e manuseio para evitar rasgos secundários de peças fundidas de alta temperatura.

2. Rachaduras frias: Mecanismo de Formação, Características e Soluções

Trincas a frio são defeitos estruturais de baixa temperatura que se formam após a peça fundida estar completamente solidificada e resfriada até um estado elástico..

Eles ocorrem quando a tensão de tração da fundição local excede a resistência final da liga à temperatura ambiente., e são distribuídos principalmente em zonas de tensão concentradas durante o processo de resfriamento.

Distinguindo características morfológicas e microscópicas

As fissuras a frio têm características completamente diferentes das fissuras a quente, permitindo identificação visual e microscópica precisa:

• Morfologia macro: As fissuras são retas ou em forma de dobra com uniformidade, largura fina e consistente, apresentando linhas de fratura suaves e nítidas.
• Estado de fratura: A superfície da fratura está limpa com brilho metálico óbvio ou leve cor de oxidação em baixa temperatura, sem a camada oxidada áspera de rachaduras quentes.
• Modo microscópico: Fissuras frias se expandem de maneira transgranular, penetrando em toda a seção transversal da peça fundida em vez de se espalhar ao longo dos limites dos grãos, qual é a diferença mais essencial em relação às fissuras a quente.

Mecanismo de Formação

Após solidificação completa, a peça fundida entra no estágio de resfriamento elástico.

A velocidade de resfriamento desigual em diferentes partes estruturais gera gradientes de temperatura significativos, resultando em deformação de contração desequilibrada.

Restringido pela própria estrutura rígida da peça fundida e pela resistência externa ao molde, enorme tensão de tração residual se acumula dentro do componente.

Quando a tensão de tração local excede o rendimento em baixa temperatura e a resistência à tração do material da liga, fratura transgranular ocorre, formando rachaduras frias.

Principais Fatores Indutores

Estrutura de fundição irracional

Espessura de parede severamente irregular causa contração de resfriamento inconsistente; estruturas fechadas rígidas e paredes finas & estruturas de núcleo grande são propensas a tensões de contração restritas, que facilmente excede a resistência à tração da liga e provoca rachaduras.

Projeto de sistema de riser e comporta com defeito

Colocação inadequada do portão (dispostos em posições de parede espessa) agrava as diferenças de velocidade de resfriamento e concentração de estresse térmico.

Risers subdimensionados ou posicionados incorretamente bloqueiam o encolhimento livre das peças fundidas.

A resistência excessivamente alta a altas temperaturas e a baixa deformabilidade da areia de moldagem e da areia do núcleo aumentam ainda mais a resistência ao encolhimento e a tensão de tração.

Composição Química da Liga Não Qualificada

O teor excessivamente alto de elementos de carbono e liga aumenta a fragilidade da liga e reduz a tenacidade a baixas temperaturas.

Teor excessivo de fósforo (sobre 0.05%) aumenta significativamente a fragilidade a frio das peças fundidas de aço.

Elementos antigrafitização excessivos em peças fundidas de ferro cinzento aumentam o volume de contração e induzem trincas a frio.

Processos pós-fundição não padronizados

A agitação prematura do molde e a alta temperatura levam ao resfriamento rápido e ao aumento acentuado de tensão; colisão mecânica e extrusão durante a limpeza e manuseio quebram diretamente peças fundidas de baixa tenacidade.

Estratégias direcionadas de resolução e prevenção

Otimize o projeto estrutural e de processos

Otimize a uniformidade da espessura da parede, adicionar estruturas de transição para peças fechadas rígidas, e eliminar a concentração de tensão estrutural.

Redesenhe o sistema de canal e riser para evitar bloquear o encolhimento da peça fundida e equilibrar a taxa de resfriamento de seções grossas e finas.

Controle rigorosamente a composição da liga

Ajuste com precisão as proporções dos elementos de liga, limitar estritamente o conteúdo de impurezas frágeis, como o fósforo, e reduzir a fragilidade a frio do material para melhorar a resistência ao impacto em baixas temperaturas.

Padronize as especificações de liberação e manuseio do molde

Prolongue adequadamente o tempo de retenção do molde para obter um resfriamento lento e uniforme das peças fundidas e liberar gradualmente a tensão residual.

Evite impacto mecânico e extrusão em procedimentos de pós-processamento.

Implementar tratamento térmico de alívio de estresse

Execute o tratamento térmico de envelhecimento em tempo hábil para peças fundidas com grande tensão residual de fundição para eliminar a tensão interna.

Conduza o tratamento de envelhecimento secundário após o corte do riser e o reparo de soldagem para evitar trincas a frio retardadas.

3. O princípio de engenharia por trás da prevenção de rachaduras

A prevenção de fissuras em peças fundidas não é uma questão de sorte ou de tentativa e erro. É uma questão de equilíbrio de engenharia.

Uma peça fundida racha quando o metal é forçado a suportar tensões de tração em um estágio em que sua resistência é muito baixa., ou quando a tensão residual se acumula mais rápido do que o material pode relaxá-la.

Desta perspectiva, cada rachadura é o resultado visível de uma incompatibilidade invisível entre comportamento térmico, comportamento de solidificação, restrição mecânica, e capacidade material.

O princípio fundamental é direto: uma peça fundida deve encolher e esfriar de maneira controlada, maneira de baixa resistência, mantendo alimentação e suporte estrutural suficientes durante os estágios vulneráveis ​​de solidificação e resfriamento.

Se alguma parte desse saldo for perdida, rachaduras tornam-se prováveis.

A formação de fissuras é um problema de estresse, não apenas um problema de defeito

Na prática de fundição, rachaduras são frequentemente descritas como rachaduras quentes ou rachaduras frias, mas por trás dessas classificações superficiais reside a mesma verdade mecânica: a peça fundida sofre tensões que excedem sua resistência instantânea.

Durante a solidificação, o metal é parcialmente sólido e parcialmente líquido. Esta é a fase mais frágil de todas.

O esqueleto dendrítico se formou, mas ainda não desenvolveu ductilidade suficiente para tolerar grandes deformações.

Se o molde circundante, essencial, sistema de elevação, ou a geometria impede a contração livre, a tensão de tração concentra-se na zona fraca. Essa é a origem do cracking a quente.

Após a solidificação, o elenco pode parecer totalmente sólido, mas ainda existem grandes gradientes de temperatura entre a superfície e o interior.

À medida que a peça esfria, as camadas externas se contraem primeiro, enquanto o interior mais quente resiste a essa contração. Isso gera tensão residual.

Se o estresse não for aliviado gradualmente, pode exceder a temperatura ambiente ou a resistência à temperatura intermediária do material e produzir rachaduras a frio.

Portanto, a verdadeira questão da engenharia não é simplesmente “Como podemos parar as fissuras?” mas sim: Como projetamos o processo para que o estresse nunca ultrapasse a resistência temporária da peça fundida??

A peça fundida deve ser projetada como um sistema de contração

Uma peça fundida não é um objeto rígido durante a produção. É um corpo que deve mudar de forma ligeiramente e continuamente à medida que esfria..

Um bom design reconhece isso e trabalha com a contração térmica em vez de contra ela.

É por isso que o projeto resistente a trincas começa com simplicidade geométrica e uniformidade estrutural:

• A espessura da parede deve ser a mais uniforme possível.
• Mudanças repentinas na seção devem ser evitadas.
• Os cantos internos agudos devem ser substituídos por raios generosos.
• Intersecções de costelas, chefes, e flanges devem ser suavizados em vez de abruptos.
• Estruturas longas e rígidas devem ser quebradas ou redesenhadas para permitir a contração.
• Seções pesadas não devem ser isoladas de seções mais finas sem uma estratégia de transição.

Quando a geometria é rígida e irregular, a peça fundida se comporta como uma estrutura com concentradores de tensão integrados.

O resultado não é apenas um maior risco de rachaduras, mas também solidificação desigual, pontos quentes localizados, dificuldade de alimentação, e acúmulo de tensão residual.

Em outras palavras, geometria pobre cria uma cascata de falhas.

Portanto, um projeto de fundição resistente a trincas trata o encolhimento como um requisito funcional, não é um incômodo. A peça deve poder contrair de forma previsível.

A solidificação deve ser controlada, não apenas acelerado

Muitos problemas de processo decorrem da má compreensão da taxa de resfriamento. Mais rápido nem sempre é melhor. O que importa não é a velocidade máxima de resfriamento, mas resfriamento uniforme e coordenado.

Se uma área solidificar muito antes de outra, a região solidificada precocemente torna-se uma casca rígida enquanto a seção restante ainda está se contraindo ou se alimentando.

Esse desequilíbrio cria tensão de tração. Se a alimentação estiver bloqueada ou a casca estiver presa, rachaduras seguem.

Por esse motivo, o projetista deve compreender o padrão de solidificação da peça fundida:

• Onde estão as últimas regiões a congelar?
• Onde se formará o centro termal?
• Quais zonas sofrerão a maior restrição?
• Onde o metal líquido ainda pode alimentar o encolhimento?
• Onde a casca ficará fina e fraca durante o estágio final?

Um processo de fundição robusto tenta criar um padrão de solidificação que seja deliberado e previsível.

Dependendo da liga e da geometria, isso pode significar solidificação direcional em direção aos risers, ou, em alguns casos, solidificação quase simultânea para reduzir o estresse diferencial.

A chave é a consistência. A solidificação descontrolada cria gradientes de tensão; a solidificação controlada os gerencia.

O molde e o núcleo devem suportar a forma, não se opor à contração

Um molde deve manter a forma da peça fundida durante o vazamento e a solidificação inicial., mas depois disso não deve se comportar como uma braçadeira rígida.

Se o molde de areia ou núcleo tiver resistência excessiva, fraca colapsabilidade, ou comportamento insuficiente de rendimento em alta temperatura, resiste à contração e transforma a contração térmica em tensão de tração.

Esta é uma das fontes mais negligenciadas de cracking. Um molde “bom demais” no sentido de ser muito rígido pode ser prejudicial.

O sistema de molde ideal proporciona uma combinação equilibrada de:

• estabilidade dimensional durante o vazamento,
• resistência adequada à erosão,
• colapsabilidade suficiente após solidificação,
• e baixa restrição durante o encolhimento.

O projeto do núcleo é especialmente importante em fundições ocas ou em formato de caixa.

Um núcleo muito grande, muito difícil, ou muito forte pode se tornar um suporte mecânico dentro da peça.

À medida que o metal se contrai ao seu redor, o estresse se concentra nas paredes. Se a tensão resultante exceder a resistência da liga, a fundição racha, muitas vezes de uma forma aparentemente inexplicável.

A prevenção de trincas na engenharia, portanto, requer não apenas uma especificação de metal, mas uma especificação de comportamento do molde. O molde faz parte do sistema mecânico.

A alimentação e a contenção devem ser equilibradas juntas

Risers são frequentemente discutidos apenas em termos de compensação de contração, mas sua função é mais sutil.

Um riser deve alimentar metal para zonas de contração, mas se o layout do portão e do riser criar restrição local, também pode se tornar parte do problema de rachaduras.

Um bom sistema de alimentação deve:

• fornecer metal líquido para as últimas áreas de solidificação,
• evite capturar pontos quentes isolados,
• evitar o congelamento prematuro do gate,
• e não travar a peça fundida em um campo de tensão rígido.

Se um portão congelar muito cedo, pode bloquear a contração natural da peça fundida.

Se um riser ou alimentador estiver posicionado de modo que restrinja mecanicamente o encolhimento, a peça fundida pode rasgar perto da região de conexão.

Isto é especialmente comum onde há uma grande incompatibilidade de rigidez entre o corpo fundido e o sistema de alimentação anexado..

O princípio aqui é crítico: alimentar o metal e liberar a tensão de contração são necessários, mas eles não são a mesma coisa.

Um processo que se alimenta bem, mas restringe a contração, ainda pode quebrar. O design deve cumprir ambas as funções ao mesmo tempo.

A tensão residual deve ser reduzida antes de se tornar uma fissura

Nem todas as rachaduras aparecem imediatamente. Algumas peças fundidas saem intactas do molde e quebram posteriormente durante a agitação, limpeza, usinagem, ou manuseio.

Isso significa que a peça fundida continha tensões residuais que ainda não haviam sido totalmente liberadas.

O estresse residual é inevitável até certo ponto, mas sua magnitude pode ser controlada. As principais ferramentas de engenharia são:

• projeto de seção uniforme,
• colapsabilidade adequada do molde,
• resfriamento controlado no molde,
• tempo de agitação apropriado,
• tratamento térmico de alívio de estresse,
• e manuseio cuidadoso após a solidificação.

O objetivo do tratamento térmico de alívio de tensões não é alterar a forma da peça, mas para reduzir o estresse interno a um nível mais seguro.

Para fundições de alta tensão, esta é muitas vezes a diferença entre uma peça estável e uma fissura retardada.

Em peças fundidas grandes ou complexas, o alívio de tensões é especialmente importante porque os gradientes de temperatura e a variação da seção são geralmente maiores.

Nesses casos, a peça fundida pode parecer dimensionalmente estável enquanto ainda suporta tensões internas perigosas.

Uma vez que a usinagem remove uma superfície de suporte ou abre um caminho de tensão bloqueado, a rachadura pode aparecer de repente.

A seleção do material deve corresponder à geometria e ao processo

Um processo resistente a trincas só é possível quando o comportamento da liga é compatível com o projeto da peça e o processo de fundição.

Algumas ligas têm faixas de solidificação mais amplas, menor ductilidade a quente, ou maior sensibilidade à contração.

Estas ligas podem ser perfeitamente adequadas em uma geometria e altamente propensas a trincas em outra..

Isso significa que a seleção da liga não pode ser separada do design. O engenheiro deve considerar:

• faixa de solidificação,
• sensibilidade ao rasgo quente,
• encolhimento linear,
• ductilidade durante o estágio semissólido,
• tenacidade após solidificação,
• suscetibilidade a elementos fragilizantes,
• e o efeito de impurezas como enxofre ou fósforo.

Uma geometria com transições acentuadas e forte restrição exige uma liga mais tolerante a trincas do que uma simples, parte uniformemente seccionada.

Da mesma maneira, uma liga com sensibilidade conhecida à trinca a quente pode exigir gating modificado, restrição inferior, melhor colapsabilidade do molde, ou resfriamento controlado mais lento.

Na prática, muitos problemas de crack não são resolvidos apenas pelo ajuste do processo. Às vezes o material deve mudar, ou o design deve ser relaxado para se adequar ao comportamento real da liga.

O manuseio após a solidificação faz parte do sistema de prevenção de trincas

A prevenção de fissuras não termina quando o metal congela. Uma fundição ainda pode falhar durante o shakeout, corte, moagem, tiro jateando, ou transporte.

Depois que a peça estiver solidificada, ainda pode ser frágil devido ao alto estresse residual, resistência a baixas temperaturas, ou microfissuras ocultas.

Por esse motivo, as operações de pós-solidificação devem ser tratadas como parte do processo metalúrgico:

• shakeout não deve ser muito cedo,
• as peças não devem cair ou bater,
• a remoção do portão deve ser controlada,
• a usinagem deve evitar a aplicação abrupta de força,
• e o armazenamento devem evitar o empilhamento de cargas ou tensões de flexão.

Isto é particularmente importante para peças fundidas grandes de paredes finas e peças fundidas rígidas com vãos longos.. Estas peças podem parecer robustas, mas podem ser surpreendentemente sensíveis ao impacto local ou à flexão.

4. Principais diferenças entre rachaduras quentes e rachaduras frias

5. Conclusão

Rachaduras nas peças fundidas se formam porque o metal é solicitado a encolher, solidificar, e fresco sob restrição. Quando essa restrição cria uma tensão maior do que a liga pode tolerar, o elenco se despedaça.

Rachaduras quentes aparecem durante a solidificação, geralmente com irregularidades, oxidado, características intergranulares.

Rachaduras frias aparecem durante o resfriamento posterior, geralmente tão mais reto, limpador, fraturas de espessura total causadas por tensão residual.

O remédio é igualmente sistemático: melhorar o design de fundição, reduzir a concentração de estresse, otimizar a solidificação, escolha a química da liga adequada, melhorar a colapsabilidade do molde, controlar o tempo de agitação, e aplicar tratamento térmico de alívio de tensão quando necessário.

Na prática, a melhor peça fundida sem fissuras não é aquela que é “mais forte” no molde, mas aquele que pode encolher de forma controlada, equilibrado, e maneira previsível.