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Analysis, Development and Industrialization of a GX 25 Cr Ni Si 20-14 Alloy Exhaust Cover Produced by Investment Casting
No full textA presente dissertação explora a análise, o desenvolvimento e a industrialização de
um componente automóvel crítico, uma tampa de escape, produzido em liga GX 25 Cr Ni Si 20-14, através do processo de Fundição por Modelo de Cera Perdida com Carapaça
Cerâmica, na empresa ZOLLERN & Comandita Portugal.
Perante uma taxa de refugo elevada, próxima dos 80% nas primeiras fases de
produção, este estudo foi iniciado com o objetivo de investigar sistematicamente as
principais causas dos defeitos recorrentes, nomeadamente o rechupe e a fissuração a
quente, e implementar soluções específicas para reduzir a taxa de refugo a níveis que
restaurassem a viabilidade económica do processo produtivo.
A investigação foi estruturada em fases distintas, começando por uma avaliação
aprofundada do design do componente, das propriedades da liga, do fluxo do processo e da distribuição dos defeitos. Através do mapeamento do processo e análise de custos de falha, foram identificados os principais fatores de perda. A Fase 1 serviu como diagnóstico, sendo seguida de melhorias incrementais nas fases subsequentes. As intervenções incluíram o redesenho do sistema de gitagem para otimizar o fluxo do metal, reduzir número de pontos quentes e favorecer uma solidificação mais direcional, ajustes na temperatura de vazamento para mitigar contrações do metal, e o recurso a filtros e fibras cerâmicas para controlar a turbulência do fluxo e a dissipação de calor. Uma mudança fundamental consistiu na rotação de 180° da peça no sistema de gitagem, o que melhorou significativamente a eficiência de alimentação e a uniformidade da espessura da carapaça cerâmica, especialmente nas zonas mais propensas a defeitos.
Em paralelo, foi introduzido um procedimento revisto de Soldadura por Arco com
Elétrodo de Tungsténio, adaptado às características metalúrgicas específicas da liga em
questão. Através da redução do aporte térmico, modificação do diâmetro do material de
adição e otimização da geometria do cordão de soldadura, alcançou-se um aumento
substancial na Taxa de Recuperação das peças e uma redução significativa da sua
fissuração a quente.
Os resultados mostraram um declínio progressivo e expressivo na taxa de refugo ao
longo das diferentes fases, culminando na Fase 2.3, onde a taxa global de refugo foi
reduzida para 18,8%.
No final, este trabalho não só resolveu um problema operacional crítico na ZCP,
como também fornece um enquadramento metodológico para melhoria contínua de
processos em aplicações industriais semelhantes. Os resultados reforçam o valor da
experimentação sistemática como ferramenta para a resolução de problemas industriais.The present dissertation explores the analysis, development and industrialization
of a critical automotive component, an exhaust cover, produced with the GX 25 Cr Ni Si
20-14 alloy, by Investment Casting - Lost Wax Model, at ZOLLERN & Comandita Portugal.
Faced with a high scrap rate, nearly 80% in early production runs, this study was
initiated to systematically investigate the root causes of recurring defects, specifically
shrinkage and solidification cracking, and implement targeted solutions to reduce the
scrap rate to levels that would restore economic viability to the production of these
components.
The research was structured into distinct phases, beginning with an in-depth
evaluation of the component design, alloy properties, process flow and defect
distribution. Through process mapping and failure cost analysis, the most critical loss
drivers were identified. Phase 1 served as a diagnostic phase, followed by incremental
improvements in subsequent phases. Process interventions included a redesign of the
gating system to optimize metal flow and reduce hot spots and enhance directional
solidification, adjustments in molten metal pouring temperature to reduce metal
shrinkage, and the introduction of ceramic filters and ceramic fibers' blankets to manage flow turbulence and heat dissipation. A pivotal change involved rotating the component model 180° within the gating system, which dramatically improved feeding efficiency and shell thickness uniformity, especially around the most defect-prone areas.
In parallel, the dissertation introduced a revised Gas Tungsten Arc Welding
procedure for repair operations, tailored to the specific metallurgical characteristics of
the aforementioned alloy. By reducing heat input, modifying the filler material diameter
and optimizing weld pool geometry, the welding process achieved a substantial increase in the repair rate and a significant reduction in solidification cracking.
Results showed a progressive and significant decline in the scrap rate along the
different phases, culminating in Phase 2.3, where the global scrap rate was reduced to
18.8%.
Ultimately, this work not only solved a critical operational issue at ZCP but also
provides a methodological framework for continuous process improvement in similar
foundry applications. The findings support the value of systematic experimentation to
industrial problem-solving
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