Aula 3 -Areias para Fundição em moldes Perdidos

Aulas 3 – Areias para Fundição em Moldes Perdidos

Faculdade PitágorasFundição e Processos SiderúrgicosHalinson Faustino Dias Campos

Componentes de uma Areia de Fundição:

� areia que é o constituinte básico, no qual devem ser observadas as característicos de pureza, granulometria (tamanho de grãos, distribuição granulométrica, dureza, forma dos grãos, integridade dos grãos, refratariedade, permeabilidade e expansibilidade. Podem ser de sílica, cromita, zirconita e olivina.

� argila, que constitui o aglomerante usual nas areias de fundição sintéticas (especialmente preparadas);

� carvão moído, eventualmente, para melhorar o acabamento das peças fundidas;

�dextrina, aglomerante orgânico, para conferir maior resistência mecânica à areia quando secada (estufada);

� farinha de milho gelatinizada (Mogul), que melhora a qualidade de trabalhabilidade da areia;

�breu em pó, também como aglomerante, que confere, principalmente em areia seca, grande resistência mecânica;

� serragem, eventualmente, para atenuar os efeitos da expansão.


• O ferro não reage com a sílica

• O ferro oxidado reage com a sílica: o oxido de ferro e alguns elementos de liga presentes no ferro escorificam a sílica formando um silicato de ferro de baixo ponto de fusão e facilitando a penetração do metal liquido.

O ar é aspirado pelo fluxo de metal nas zonas de baixa pressão.

A maioria dos problemas de penetração devida a reação pode ser resolvida adotando-se procedimentos metalúrgicos corretos e evitando-se a reoxidação do metal durante o preenchimento do molde.

O magnésio é altamente reativo com a sílica

Tipos de Areia de FundiçãoAreia de sílica:


• Instabilidade da Forma Cristalina

− Expansão uniforme até 573°C,

− Para T> 573: quartzo a ↔ quartzo b (expansão repentina)− Prosseguindo o aquecimento: (ligeira contração do quartzo b)

− Acima de 867°C: quartzo b ↔ tridimita (estável ate 1470°C)

− Acima de 1470°C: tridimita ↔ cristobalita (estável entre 1470°C e o seu ponto de fusão a 1728 0C)

Entretanto, as transformações quartzo b « tridimita e tridimita « cristobalita não ocorrem facilmente e é possível ter-se quartzo aquecido acima de 867°C por horas ou dias, inalterado ou apenas parcialmente transformado em tridimita ou cristobalita.

Inversamente, pode-se ter tridimita ou cristobalita preservadas indefinidamente a temperatura ambiente.

•Desvantagens do uso de sílica:− elevada expansao termica,− reatividade com alguns metais− perigo de silicose.

Tipos de Areia de Fundição

Areia de sílica:



Areia de zirconita:A zirconita e um silicato de zirconio, ZrO2.SiO2 (67,2% de óxido de zircônio e

32,8% de óxido de silício).

• Ocorrência: Em areias de praia na Austrália, nos Estados Unidos, na Índia e no Brasil (Estado do Espírito Santo (Guarapari), associada a monazita, que e um minerio de torio, e é exportada misturada a um outro minério de zircônio, a badeleita).

• Apresenta alta refratariedade• Um coeficiente de expansibilidade térmica muito pequeno (a expansão de 20 a

1000°C e a sexta parte da observada para a sílica) • Menor reatividade com vários metais líquido, particularmente com o ferro.

• Ponto de fusao: 2550°C• Densidade 4,7.


Areia de cromita:

• Alto ponto de fusão (cerca de 2180°C)• Densidade: 4,0 – 4,6• Expansão térmica moderada• Estabilidade da forma cristalina a temperaturas elevadas• Comportamento químico neutro.• O mineral cromita, FeO.Cr2O3, raramente ocorre isolado e os minérios de cromo

(cromita (FeO.Cr2O3) + picrocromita (MgO.Cr2O3) + espinelio (MgO.A12O3), + ganga constituida de serpentina, olivina, quartzo e piroxenios).

• Origem: Africa meridional. O Estado da Bahia possui importantes reservas de cromita.

Para uso em fundição, a cromita não pode ter ganga em excesso, porque os minerais hidratados, como a serpentina, liberam água a altas temperaturas. Recomenda-se, por isso, que a perda ao fogo da cromita não ultrapasse o valor de 0,5%, caso contrario podem-se esperar defeitos devidos a gás nas pecas fundidas.

Cr2O3: 45 a 50%; A12O3 : 11 a 16%; Fe2O3: 20 a 26%; MgO: 10 a 15%; SiO2: 3% Máximo



Areia de Olivina:

• Constituição: Ortossilicato de magnésio e ferro (90% de forsterita (Mg2 SiO4) e 10% de faialita (Fe2SiO4)

• Ponto de fusão: Cerca de 1800°C• Densidade: 3,25 e 3,4• Expansão térmica verca de 30% da expansão das areias de sílica• Mineral frágil (Dois planos de clivagem)• Recomendações: teor mínimo de 80% de 2MgO.SiO2, perda ao fogo máxima 1,35%

e umidade máxima 1%.• Muito utilizada na fabricação de aços ao manganês

Há no Brasil ocorrências de olivinas, características satisfatórias para areias de moldagem aglomeradas com argilas.



Areia de Chamote:

• Ponto de fusão: Variável (pode se aproximar ao das areias de sílica)• Baixa densidade • Baixa condutividade dos grãos • Baixa expansibilidade (defeitos devidos a expansao comparado às areias de sílica)

• Deve ser aglomerada com uma argila refratária (Para que suas propriedades refratarias nao sejam afetadas)


Carbono:

• Boa refratariedade• Baixa expansão• Não é molhado por metais líquidos• Baixa reatividade

Deve-se evitar o seu contato com oxigênio a altas temperaturas.


�Quanto à origem: natural; semi-sintética ou sintética. Apesar de jáestar "pronta" a areia natural tem sido pouco utilizada dada as suas baixas propriedades.

� Quanto ao uso: nova ou reciclada. Fundição de areia-verde que trabalhe basicamente com areia usada (reciclada) utiliza cerca de 10% de areia nova para recompor as perdas durante a reciclagem e manter as propriedades da areia estáveis. Na areia reciclada são adicionadas também pequenas quantidades de aglomerantes e água.

�Quanto ao emprego: areia de moldagem (faceamento ou enchimento) e areia de macho.

�Quanto ao estado de umidade: úmida (verde) ou seca (estufada).

Classificação das Areias para Moldagem


Características ValorTeor de umidade (%) 0,1 max.Teor de SiO2 (%) 99,0 max.Teor de argila total (%) 0,1 max.

Superfície específica teórica (cm2/g) 95 – 107Tamanho de grão médio (mm) 0,230 – 0,260Coeficiente de angularidade 1,20 – 1,40Índice de finura 55 – 61Valor da demanda de ácido 3,0 máx.

(mL HCl 0,1 N/50g de areia a pH 2)Permeabilidade-base (AFS) 110-140Número específico teórico de grãos 7,0 – 10,0(dez unidades/g)Diâmetro representativo (mm) 0,188 – 0,211

Grau de afastamento (%) 10,0 – 13,0

Propriedades das Areias para Moldagem

Especificações de areia para fundição (ABNT – NBR 12672).

“Areias e aglomerantes devem ser criteriosamente escolhidos para garantir a reprodutibilidade das propriedades dos moldes”


Refratariedade:É a capacidade da areia suportar as temperaturas do metal vazado sem que haja fusão ou amolecimento / sinterização.


Temperatura de Fusão Refratariedade

Pureza da Areia Temperatura de Fusão Refratariedade

Temperatura de Fusão

Zircônia ~ 2420ºC

Areias de Sílica ~ 1350º C

Impurezas Comuns em Areias de Sílica

Mica, Óxido de Ferro, Cabonatos de Cálcio e Magnésio, Sódio, Potássio e às vezes substâncias orgânicas

Sílica Pura ~ 1710ºC

Cromitaia ~ 2180ºCChamote ~ 1700ºC a 1760ºC


Refratariedade:


Às vezes fundição de ferro fundido

Fundição de aço

Areias de Zircônia (ZrO2 . SiO2)Fundição de Ferros Fundidos

Fundição de Cobre

Fundição de Alumínio

Areia de Sílica (SiO2)

AplicaçãoTipo de Areia



Granulometria:

Refere-se ao tamanho do grão de areia.

Granulometria Características influenciadas

Menor tamanho de grão Maior condutividade do moldeMenor tamanho de grão Melhor acabamento superficial



- Porcentagem retida: é a porcentagem de material retido em uma determinada peneira.

- Porcentagem acumulada: é a soma das porcentagens retidas em uma determinada peneira e nas outras que lhe ficam acima da numeração.

- Módulo de finura: é a soma das porcentagens acumuladas em todas as peneiras da série normal, dividida por 100. Quanto maior o módulo de finura mais grosso será o agregado.

-Índice de finura: É a multiplicação do valor retido em cada peneira por um fator multiplicativo. Quanto maior o índice de finura, mais fina será a areia.

-Diâmetro máximo: é o número de peneira da série normal na qual a porcentagem acumulada é inferior ou igual a 5%.

-Granulometria Média (GM): Consiste na abertura teórica da malha onde haveria 50% de material passante.

-Grau de Uniformidade (GU): Diferença entre o passante de 2/3 de GM e do passante de 4/3 de GM.



Amostra

Peneira NºAbertura da Malhamm

Fator MultiplicadorM

Retido por Peneiraq (g)

Retido por Peneiraq (%)

Retido por PeneiraAcumulado (%) q x M

6 3,36 3 0 0,00 0,00 012 1,68 5 0 0,00 0,00 020 0,84 10 0 0,00 0,00 030 0,59 20 0 0,00 0,00 040 0,42 30 0,2 0,40 0,40 1250 0,297 40 0,65 1,30 1,70 5270 0,21 50 1,2 2,40 4,10 120

100 0,149 70 2,25 4,50 8,60 315140 0,105 100 8,55 17,10 25,70 1710200 0,074 140 11,05 22,10 47,80 3094270 0,053 200 10,9 21,80 69,60 4360

Prato 300 9,3 18,60 88,20 5580Total 44,1 88,2 246,1 15243

If 173MF 2,461

Tamanho da Amostra 50 g; AFS Argila: 5.9 g, ou 11.8%; Areia: 44.1 g, ou 88.2%.

Índice de Finura= Σ(q x M)Σq

Módulo de Finura= Σ%peso retido acumulado100

ÍNDICE DE FINURA RECOMENDADOMetal IF (AFS)aço fundido 50-90ferro fundido 80-130não-ferrosos 90-160

Fonte: Processos Shell: Materiais e Tecnologia



Estabilidade térmica dimensional:

Uma baixa expansibilidade térmica é desejável, pois isso proporciona uma menor possibilidade de defeitos nas peças devido á menor variação volumétrica dos moldes e dos machos.



Formato dos grãos:

O formato dos grãos de areia podem variar de redondos ou arredondados a angulares, passando pelos semi-angulares ou sub-angulares. Não há um consenso quanto a geometria ideal para os grãos, com uma leve tendência de preferência para os grãos angulares que promovem uma melhor amarração dos moldes, ou seja, um molde mais denso e menos permeável.



Escoabilidade:A escoabilidade está ligada à facilidade de compactação da areia. Esta está

diretamente ligada a:• Espessura e da qualidade dos filmes de argila umedecida que recobrem os

graos de areia.• Características geométricas dos grãos

• diminuição do tamanho médio dos grãos • aumento do numero de faixas granulométricas(espalhamento da distribuição granulométrica).

EscoabilidadeNúmero de contatos entre grãos

Aumento do número de contatos entre grãos

Supondo-se que as formas dos grãos sejam semelhantes, areias mais finas e/ou de distribuição granulométrica mais espalhada, tendem a apresentar menor escoabilidade.

EscoabilidadeIrregularidade dos grãos

O maior numero de pontos decontato nas areias angulares leva a menor escoabilidade.


Permeabilidade: Refere-se à facilidade com que os gases passam pela areia. Quanto mais fácil passa o gás através da areia compactada, mais permeável é a areia.

Os gases que passam pela areia são provenientes de:� Ar contido na cavidade do molde� Combustão dos produtos contidos na areia� Evaporação da água contida na areia� Dos gases dissolvidos no metal e que se desprendem durante a solidificação.


EX:45/50 AFS grossa50/60 AFS média90/100 AFS fina

Acabamento Superficial

Saída de Gases

-

+ -

+


• Presença de finos Diminui a permeabilidade

• Tamanho de grão maior Aumenta a permeabilidade

• Presença de argila Diminui a permeabilidade

• Alta concentração granulométrica Aumenta a permeabilidade

• Umidade da areia-base Aumenta a permeabilidade atéum ponto ótimo de água

• Grãos redondos e subangulares Aumenta a permeabilidade

• Maior tempo de mistura de aglomerante Aumenta a permeabilidade

• Alto grau de compressão (socagem) Diminui a permeabilidade

Fatores que influenciam na permeabilidade



Índice de Permeabilidade:

Com um permeâmetro mede-se a quantidade de ar que atravessa longitudinalmente um corpo de prova padrão.

O volume de ar (V) que atravessa o “CP” é inversamente proporcional a altura (h) do corpo de prova e diretamente proporcional ao índice de permeabilidade (i), à pressão (p), à secção (S) e ao tempo (t).

V = i p.S .t ou i = V . hh p.S.t


I = 10 a 30 cm/minAreia aglomerada espessa (argila >18%)

I = 30 a 70 cm/minAreia aglomerada média (argila 9% a 18%)

I = 70 a 120 cm/minAreia aglomerada porosa (argila 5% a 8%)

Índice de PermeabilidadeTipo de Areia



Difusividade Térmica:

• Altas permeabilidades de gases ou vapores no molde favorecem a extração rápida de calor (mecanismo de convecção), isto e, resultam em alta difusividade;

• Quando não há muitos gases, o efeito da densidade é um fator importante na transferência de calor. Alta densidade, favorece a difusividade térmica. (mecanismo de condução),

A intensidade de compactação e, portanto, uma variável importante para controle da maioria das propriedades do molde, inclusive da permeabilidade e a difusividade térmica.

Na prática usual de moldagem nas pequenas e medias fundições, incrementos moderados na intensidade de compactação trazem como efeito uma redução de permeabilidade, não se notando variações de importância na difusividade.


Teor de Argila:

A determinação do teor de argila é feito por ensaios de sedimentação por via úmida seguida da extração das partículas de argila em suspensão por sucção.

Argila AFS - São todas as partículas inferiores a 0,02mm existente na areia de moldagem, como: finos inertes, partículas de bentonita e aditivos.


A = Mi – Q x 100Mi

Como no ensaio Mi é de 50 g. A = 50 – Q x 10050

Mi = Massa Inicial

Q = Peso da sílica após ensaio


Resistência Mecânica:


Ensaios ��

Compressão

Corte

Flexão

Tração

Suportes com degrau na superfície

Na compressão a resistência à ruptura (Rp) é proporcional a força aplicada (F) e inversamente proporcional à àrea da secção do corpo de prova (S)

Rp = FS


Resistência Mecânica:


A resistência das areias verdes varia com o tipo e teor de argila bem como

com o teor de umidade.

A resistência à compressão aumenta também até um grau de umidade de 6%, decrescendo depois, porque a fluidez da argila provoca deslizamentos nos grãos de sílica (o ideal é um grau de umidade de 6.6%)

Variação da resistência a compressão e permeabilidade em areias verdes



Índice de Shatter:

Está ligado a deformabilidade da areia e da capacidade de absorver energia.

O Shatter test consiste em deixar cair um provete (corpo de prova) normalizado de areia (50 x 50mm), de uma altura também normalizada, sobre uma bigorna com uma peneira de malha normalizada. O corpo de prova ao chocar com a bigorna parte-se, e a % de areia que não atravessa a peneira define o índice de queda (Shatter).

Índice de Shatter = Peso da areia sobre a peneira x 100Peso total do corpo de prova



Ensaio de Godding:

Os ensaios realizados por Godding, estudaram a variação da resistência à compressão da areia aglomerada com argila verde, em função da % de umidade para diversos valores de bentonita e argila morta (finos).

Analisando o gráfico, verifica-se que a resistência mecânica diminui com o aumento

da umidade, e aumenta com a % de finos

O índice de Shatter varia de maneira inversa àvariação da resistência a compressão.

Combinando do índice de Shatter, grau de umidade e resistência temos:1. Índice de Shatter baixo: Possível desmoronamento do molde após retirada do modelo

2. Índice de Shatter baixo: Fissuração e arraste de areia do molde após retirada do modelo

1 – Areia lavada + 5% betonita

2 – Areia reciclada com 5% de argila morta + 5% betonita

3 – Areia reciclada com 15% de argila morta + 5% betonita

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