AREIAS DE MOLDAGEM

Prof. Hélio Padilha

Areia de moldagem Areia de Moldagem é um sistema heterogêneo constituído

essencialmente de um elemento granular refratário (normalmente areia silicosa), um ou mais aglomerantes e um plastificante (água). Alternativamente a água pode ser suprimida se o aglomerante utilizado for líquido.

A areia de moldagem deve apresentar elevada refratariedade, boa resistência mecânica, permeabilidade adequada e plasticidade (ou moldabilidade). Já da areia destinada à fabricação de machos espera-se, além dos requisitos exigidos para a areia de moldagem, boa colapsibilidade, definida como a perda de resistência da areia após o início da solidificação da peça.

Classificação Quanto à origem:

Natural, semi-sintética ou sintética. Apesar de já estar "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).

Propriedades exigidas da areia Estabilidade térmica e dimensional à elevadas

temperaturas Distribuição de forma e tamanho de partículas

adequado Não apresentar reatividade química com o metal

fundido Não apresentar molhabilidade fácil com o metal

fundido Estar livre de substâncias e partículas de baixo

ponto de fusão Ter mínima geração de gases em altas

temperaturas Apresentar baixo custo e disponibilidade Apresentar composição uniforme Ter compatibilidade com os aglomerantes

Moldabilidade É a propriedade da areia de produzir as

formas do modelo com o mínimo esforço. Em outras palavras, a capacidade de produzir moldes. Para garantir esta propriedade, a areia deve apresentar algumas características básicas:Escoabilidade: promove o escorregamento dos

grãos sob ação de forças externas. Assim, a areia assume as formas e detalhes do modelo, uniformemente compactada em todo o molde.

MoldabilidadeConsistência: capacidade de a areia compactada estabilizar

sua forma, normalmente medida por testes de compressão a verde.

Plasticidade: capacidade da massa de areia compactada se deformar plasticamente, dada uma solicitação mecânica externa, medida geralmente por deformação a verde, obtida no ensaio de resistência à compressão a verde.

Resistência mecânica Envolve a capacidade da areia manter a forma da cavidade

do molde após a extração do modelo, além de resistir a esforços dinâmicos e estáticos do metal líquido durante o enchimento do molde.

Permeabilidade Define o quanto a areia se deixa transpassar por gases formados na

etapa de vazamento do fundido líquido quente no interior do molde. Esta propriedade permite a passagem das substâncias gasosas

produzidas durante a fundição do metal através do molde sendo relacionada com a existência de pequenos espaços entre as partículas de areia dados o constante tamanho das partículas e a presença de um agente de ligação.

Resistência térmica Mede o quanto as características da areia de moldação são afetadas pelo

calor envolvido no processo de vazamento. O calor liberado pelo metal no interior do molde exige refratariedade da areia, ou seja, a resistência ao amolecimento ou degradação quando em contato com o metal líquido.

A areia deve ser também quimicamente inerte, não reagindo ou reagindo minimamente com o metal, de forma a não comprometer suas características por degradação química.

O calor pode dilatar a areia, comprometendo a estabilidade dimensional do molde.

Componentes Areia-base

A areia-base é uma areia refratária, normalmente silicosa, sendo que se for originária de areia de praia deve ser lavada previamente para retirada dos sais. A composição química da areia-base afeta a dilatação térmica da areia, a reatividade com o metal fundido mas, principalmente, a refratariedade do molde. Essa última propriedade é particularmente importante na fundição de aço.

Areia base A constituição mineralógica das areias a base de sílica é

essencialmente de quartzo (acima de 99%) e impurezas com menos de 1% (predominando feldspatos K2O, Al2O3 e argila). A areia de sílica é a principal integrante da mistura de areia de moldagem a verde.

A areia base é o constituinte presente em maior quantidade nas areias de fundição.

Os tipos de areia mais empregados na fundição de peças são:

Areia de quartzo (sílica) (SiO2) Areia de zirconita (ZrO2 SiO2) Areia de cromita (FeO Cr2O3) Areia de olivina (2MgO SiO2)

Granulometria A granulometria da areia-base afeta a permeabilidade da

areia e a penetração metálica. Considerando que a distribuição dos grãos seja relativamente estreita, quanto maior for o diâmetro desses mais permeável será a areia (isso é bom pois facilita o escoamento dos gases) porém maior será a penetração metálica, implicando num acabamento "pobre".

Aglomerantes São materiais que envolvendo e

ligando entre si os grãos conferem à areia, após compactação, secagem ou reação química, as características necessárias ao processo de moldagem, isto é, resistência às solicitações dinâmicas, estáticas e térmicas provocadas pelo metal fundido.

Para um dado aglomerante, com o aumento do seu teor aumenta a resistência e a dureza da areia e diminui a permeabilidade.

Os aglomerantes se subdividem em aglomerantes inorgânicos, orgânicos e sintéticos.

Argila (bentonita) A argila pode ser definida como uma rocha, geralmente

plástica, constituída essencialmente de silicatos de alumínio hidratados, denominados minerais de argila, que podem conter sílica livre e outras impurezas.

As bentonitas são argilas constituídas principalmente pelo argilo-mineral montmorilonita (aproximadamente 80%) (argilo mineral com três camadas, sendo uma camada de gibbsita e duas camadas de sílica), associadas a alguns elementos e impurezas como metais alcalinos-terrosos, matérias orgânicas e argila silicosa sob a forma de grãos finos.

Bentonita As bentonita mais comuns são:

Bentonitas naturais Bentonitas cálcicas naturais Bentonitas sódicas naturais

As bentonitas sódicas apresentam melhores propriedades para a utilização em fundição do que as cálcicas. Por esta razão realiza-se um tratamento em algumas bentonitas cálcicas naturais, transformando-as em bentonitas sódicas artificiais, que apresentam melhores resultados como aglomerantes da areia.

A este tratamento, que consiste essencialmente numa troca de cátions ligado à bentonita, dá-se o nome de ativação.

A bentonita é o aglomerante da areia base, que na presença de água interlamelar aumenta as forças de ligação entre a lamelas de bentonita, dando maior resistência aos moldes.

Areias não-silicosas A opção por uma areia-base

não-silicosa parte da constatação de que a areia silicosa apresenta - quando comparada com outras composições - inúmeras desvantagens como elevada expansão volumétrica e elevada reatividade com o metal fundido.

Das areias não-silicosas a de zirconita seria a areia ideal em termos de propriedades, não fosse pelo alto custo.

A de cromita apresenta maior capacidade de extração de calor do que a areia comum.

Aglomerantes orgânicos A areia é aglomerada por resinas sintéticas de

resistência à quente, infusíveis. Estas resinas são aplicadas em pó ou sob a forma líquida, de modo a revestir os grãos de areia.

As resinas sintéticas vêm sendo utilizadas comercialmente nos mais diversos produtos desde o início do século XX.

As resinas sintéticas para fundição são as chamadas resinas termofixas, que são compostos que se solidificam e se tornam produtos insolúveis, infusíveis, rígidos, estáveis e são elementos aglomerantes dos grãos de areia, utilizadas para a confecção de moldes e machos.

De acordo com sua composição, as principais resinas sintéticas utilizadas para fundição são classificadas como: Resina Furânica; Resina Fenólica; Resinas para processo Cold Box (amina-uretânico-fenólico);

Aglomerantes orgânicos Resina furânica.

Resinas furânicas são resinas sintéticas termofixas com 3 componentes ativos: uréia-formol/álcool furfurílico ou fenolformol/álcool furfurílico.

O percentual das resinas furânicas está compreendido entre 0,6 a 1,5% sobre o peso da areia utilizada.

Resina fenólica. Resinas fenólicas são resinas sintéticas termofixas produzidas

através da reação química de fenol e formol. As primeiras informações sobre resinas fenólicas surgiram em 1872, na Alemanha, quando A. Von Bayer descobriu que o fenol reagindo com formol originava um produto resinoso.

O teor de uso das resinas fenólicas está compreendido entre 0,6 a 1,5% sobre o teor de areia (em peso).

Aglomerantes orgânicos Resina para o processo cold box (amina-uretânico-fenólico). As resinas termofixas para o processo cold box (amina-uretânico-

fenólico) são compostas de três partes, que têm as seguintes denominações: Resina parte I: é uma resina do tipo fenol éter poli-benzílica, obtida através da

reação de condensação formol/fenol, dissolvida em uma mistura de hidrocarbonetos aromáticos.

Resina parte II: é um poli-isocianato (difenil-metano-diisocianato) dissolvido em compostos aromáticos.

Catalisadores: São compostos químicos auxiliares utilizados em conjunto com as resinas sintéticas para promover a polimerização ou cura.

A quantidade de uso das resinas cold box (amina-uretânico-fenólico) podem variar entre 0,9 a 1,5% sobre o peso da areia, sendo que normalmente se trabalha com as resinas balanceadas (50% parte I e 50% parte II) ou desbalanceadas (55% parte I e 45% parte II). Porém, uma pequena variação dessa proporção é admissível.

Aditivos São substâncias que misturadas à areia de moldagem, em teores

inferiores a 1%, modificam suas propriedades, minimizando certos tipos de defeitos.

Aditivos carbonáceos (pó de carvão) O principal aditivo desta classe é o pó de carvão mineral (conhecido como

pó cardiff). Os pós de carvão são materiais que se decompõem numa grande

variedade de produtos sob a influência do calor, a temperaturas geralmente compreendidas entre 315 e 980 ºC.

A maioria dos gases do pó de carvão desprende-se entre 315 a 650 ºC, e o seu desprendimento cria uma atmosfera redutora, favorecendo a uma melhoria do acabamento superficial das peça fundidas.

A utilização desse tipo de aditivo tem os seguintes objetivos:

Evitar a aderência da areia com a peça fundida. Evitar a penetração do metal líquido no molde. Melhorar acabamento superficial das peças fundidas. Reduzir a ocorrência de defeitos devido a expansão da sílica.

Aditivos Aditivos Amiláceos (Amido de milho).

Os aditivos amiláceos (amido de milho) são usados como aditivos em areias para os mais diversos tipos de ligas fundidas.

O emprego de amidos é maior em fundições de aço onde aditivos carbonáceos encontram sérias restrições devido a possibilidade de provocarem uma carburação superficial das peças fundidas, mas muitas fundições que fabricam ferro fundido também os utilizam.

Os amidos têm uma certa capacidade de absorção de água e são empregados junto com as misturas de areia de moldagem, com a finalidade de aumentar a plasticidade a verde da areia, o que reduz sensivelmente a incidência de quebra de moldes no ato da extração do modelo.

Tinta A principal função de uma tinta é a criação de uma camada

intermediária entre areia e metal, visando conferir um bom acabamento ao molde ou macho e, por conseguinte, à peça.

A tinta é constituída de uma substância refratária (grafite ou zirconita), uma substância aglomerante (bentonita, por ex.) e um solvente (água ou álcool).

A pintura pode ser feita por pincel, pistola ou imersão, sendo imprescindível que a camada aplicada seja fina e que o solvente seja totalmente evaporado por ocasião da queima da tinta, evitando que a tinta seja mais uma fonte de defeito na peça fundida.

Ensaios e controle da areia Quando se trabalha com areias recicláveis (areia-verde)

é importante monitorar periodicamente propriedades da areia como resistência, permeabilidade e teor de umidade, o que significa ter um controle sobre a qualidade dos moldes produzidos. Esses resultados devem ser registrados graficamente para serem consultados quando da ocorrência de defeitos em determinados lotes de peças.

Para medir a resistência da areia utilizam-se equipamentos com acionamento hidráulico e múltiplas opções de ensaios. Normalmente é possível se medir resistência à compressão (usual); resistência à tração (para areias com elevada resistência); resistência ao cisalhamento e à flexão (mais importante para machos).

Ensaios e controle da areia Com o equipamento denominado

permeâmetro mede-se a permeabilidade da areia, que é dada pela quantidade de ar que atravessa longitudinalmente um corpo de prova padrão.

Existem disponíveis no mercado equipamentos onde, após a colocação da areia a ser testada, o corpo de prova é compactado e submetido a múltiplos testes como ensaios mecânicos diversos e teste de permeabilidade, entre outros.

Ensaios e controle da areia Já a medida da umidade da areia pode ser

determinada através da perda de massa decorrente da secagem - em estufa ou secador - de uma dada quantidade de areia. Para areias com ligantes orgânicos que poderiam ser evaporados juntamente com a água, pode-se usar o método a frio que consiste na reação da água com Carbureto de Cálcio, gerando gás acetileno. Assim, a quantidade e gás formado é proporcional à umidade da areia e existem dispositivos que indicam esse valor automaticamente.

Ensaios e controle da areia Outros ensaios gerais (análise granulométrica da areia, teor

de argila da areia base) ou específicos (como fluidez da resina, por exemplo) também podem ser realizados.

Normalmente a areia-base comprada vem acompanhada da composição química média e da análise granulométrica. A granulometria é dada pelo Índice de Finura (IF) que corresponde à média ponderada da massa retida em cada uma das peneiras de uma série padrão. Normalmente se utiliza a série da AFS (American Foundrymen’s Society) e a escolha do I.F. depende do metal a ser fundido.

Penetração de metal líquido na areia Especialmente em moldes de médio e grande

porte pode haver pressão do metal líquido suficiente para fazer com que ele efetivamente penetre entre os grãos de areia.

Nos moldes este problema pode ser minimizado com algumas ações, como por exemplo:Pintando o moldeMudando o método de moldagem para manter altura

baixa e baixa velocidade do fluxo.Usando areia mais fina no local propenso à

penetração.

Oolitização da areia

Durante o vazamento, parte da areia recoberta com argila fica em contato direto com o metal líquido e sob o efeito do calor absorvido. Essa argila pode atingir temperaturas superiores à da calcinação e com isso sofrer transformações.

A argila passa a ficar, a cada novo ciclo que fica em contato com o metal, na forma de finas camadas cerâmicas, que não possui mais efeito ligante.

Sinterização na interface metal molde Quando metais ou ligas de maior ponto de fusão, como

ferros fundidos e aços, entram em contato com impurezas de baixo ponto de fusão como silicato de sódio, óxidos de ferro e argila inerte, entre outros, é comum essas impurezas e parte dos grãos se fundirem com parcela do metal e com isso gerar uma crosta sinterizada muito dura, que só pode ser retirada da peça por maçarico ou esmerilhamento.

Para minimizar este efeito, podem ser adicionados elementos carbonáceos à areia, como carvão mineral ou pintar o molde com tintas à base de grafita (para ferros fundidos) ou zirconita (para aços).

Reciclagem da areia A areia de moldagem a ser reciclada precisa

passar por determinadas etapas antes de ser empregada novamente. Isto por que após a desmoldagem a areia se encontra quente, com torrões e partículas metálicas. Assim, a fundição que opte por trabalhar com areia-verde deve possuir instalação de reciclagem da areia, visando a reutilização desta.

Para isso são necessários equipamentos de transporte (correias, elevadores, etc.), de armazenamento (silos), peneiras (para eliminar parte dos finos e torrões), separadores magnéticos (para separar partículas ferrosas), etc.