areia verde e areia ligada...

AREIA VERDE E AREIA LIGADA QUIMICAMENTE

Pós-graduação: ENGENHARIA DE FUNDIÇÃO

2009

Claudio Luiz Mariotto

Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 2

Material base Gênero de ligante

Tipo de ligante Requisitos para a aglomeração Alguns processos

moldagem a verde adesivo de contato

argilas (bentonitas) aglomeração ativada por compactação moldagem a seco

óleos secativos macharia areia-óleo moldagem/macharia shell

macharia hot-box reação química ativada por calor

macharia warm-box cura-a-frio furânica / ácido cura-a-frio fenólica / ácido

cura-a-frio uretânica auto-curáveis

cura-a-frio resol-éster macharia cold-box

resinas

processo SO2 passagem de gás processo CO2 silicato de sódio

cura-a-frio silicato-éster

ligantes químicos

cimento portland moldagem em areia-cimento

aglomerado com

outros cerâmicos, gesso

reação química à

temperatura ambiente

auto-curáveis “microfusão”(fundição de precisão)

modelo permanente moldagem a vácuo: processo “V”

areia ou outro

agregado

sem aglomerante modelo evaporável moldagem “lost foam”

metal (aço ou ferro fundido) fundição em coquilha usinável

grafita processo Griffin

Principais materiais e processos de moldagem / macharia

O método de moldagem escolhido implica em tipos de modelos específicos e vice-versa (o tipo de modelo pode determinar o processo de moldagem a ser empregado). A montagem dos modelos em placas é uma exigência da mecanização (só o uso de robôs permitiria mecanizar / automatizar a moldagem com modelos “soltos”)‏


Areia verde1. Conceito de (moldagem com) areia verde

• Atributos, características das areias verdes2. Componentes da mistura e sua caracterização

• Areia base• Argila (bentonita) ‏• Aglomeração: o trinômio areia / argila / água• Aditivos• Compactação (métodos de moldagem) ‏• Preparo / recirculação e seus efeitos

3. Propriedades tecnológicas, Ensaios, Controle de sistemas de areia

4. Defeitos associados à areia de moldagem e ao molde , correlações entre defeitos e os resultados dos ensaios de laboratório


Requisitos da areia de moldagemDurante a moldagem (Moldabilidade)‏

Escoabilidade (fluxibilidade) – adensar sobre o modelo

Consistência – retenção da forma

Plasticidade – extração do modelo

Durante e após o vazamentoPermeabilidade a ar, gases e vapores

Estabilidade dimensional no aquecimento

Difusividade térmica

Propriedades a quente: plasticidade, resistência

Desmoldabilidade


Durante a moldagem: Moldabilidade

Para gerar bons moldes, a areia de moldagem deve ser capaz de reproduzir fielmente as formas do modelo

Escoabilidade (fluxibilidade)‏• Capacidade de movimentação dos grãos individuais de modo

a adensar-se firmemente em torno do modelo

Consistência• Capacidade de reter a forma após a compactação; medida

pela resistência mecânica a verde

Plasticidade• Confere resiliência ao molde, permitindo que ele se deforme

plasticamente sem se romper; essencial para a extração do modelo


Durante e após o vazamentoPermeabilidade

Permite escape de ar, gases e vapores– depende do tamanho médio e distribuição dos vazios

intergranulares do molde / macho

Estabilidade térmica dimensionalOutros constituintes da areia devem

– compensar a expansão dos grãos de areia base– conferir plasticidade a alta temperatura

Difusividade térmicaDetermina o esfriamento da peça fundida; é função de

– condutividade térmica– capacidade térmica– densidade

Resistência mecânica a altas temperaturasÉ importante que seja transitória; sua diminuição com o tempo define a

característica de colapsibilidade

DesmoldabilidadeFacilidade de desfazer o molde após solidificação

– Quanto menor a resistência residual do molde (isto é, a resistência que o molde retém ao esfriar após a solidificação da peça), menor o trabalho requerido na desmoldagem


O comportamento do molde ...

... e a qualidade da peça dependem de três conjuntos de fatores:

fatores ligados à composição da areia de moldagem isto é,

tipos de constituintes e

proporção dos constituintes

fatores ligados ao preparo da areia de moldagem e

fatores ligados à moldagem propriamente dita, tais como

modo de compactação e

intensidade de compactação


Uma areia verde nova é constituída de

areia basemais comum: de sílica (quartzo) ‏

argilamais comum: bentonita

águaH2O + substâncias dissolvidas e em suspensão

aditivospó-de-carvão, pó-de-madeira, amido etc.

A preparação da misturaé por muitos considerada como um quinto constituinte


Constituição de uma areia nova

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Nova

Umidade

Argila ativa (Azul de Metileno)

Carbonáceos (na argila AFS)

Sílica


A areia na fundição

água e aditivos contêm sais (cátions e ânions) ‏

calor do metal líquido decompõe parcialmente argila e aditivos

na desmoldagem, os machos incorporam-se parcialmente à areia de moldagem

na recirculação, H2O evapora mas os sais dissolvidos permanecem


grãos oolitizadosgrãos novos

densidade média~ 2,50 g/cm3

camada úmida de finos ativos~ 1,8 g/cm3

camadas de argila inerte fixadas aos

grãos~ 1,8 g/cm3

SiO22,65 g/cm3

SiO22,65 g/cm3

grãos pouco oolitizados: 2,2 a 2,3 g/cm3

grãos muito oolitizados: ~ 2,0 g/cm3

Variações de densidade em uma areia verde


Constituição de 3 areias de sistema

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Forte tendência aexpansão

Peças boas Rugosidadeexcessiva

UmidadeArgila ativa (Azul de Metileno)Carbonáceos (na argila AFS)Finos inertes (argila e cinzas)MetálicosOolíticosSílica

alta densidade real baixa densidade real


Areia baseAs areias de sílica (quartzo) são as mais abundantes e baratas

Por isso são as selecionadas na quase totalidade dos casosOutras areias (menos) usadas: cromita, zirconita, olivina, chamote ...

Algumas características comparadas

Além de alta, a expansão térmica do quartzo é repentinaé quase toda devida à transformação reversível

quartzo α ↔ quartzo βque ocorre a 573°C

Areia de Densidade Ponto de fusão Expansão térmica

Sílica (quartzo) 2,65 1.780°C alta

Cromita 4,5 >2.000°C baixa

Zirconita 4,7 2.550°C baixa

Olivina ~3,3 ~1.800°C moderada


Areias de sílica

Composição básica• mineralógica: quartzo• química: quase 100% SiO2

Impurezas comuns• feldspatos: (K2O.Al2O3.6SiO2 ou Na2O.Al2O3.6SiO2)‏• argilas (Al2O3.4SiO2 . 2H2O),• óxidos de ferro (Fe2O3.xH2O),• rutilo (TiO2),• outras, conforme a procedência.

Reações com o ferro• não reage com o ferro metálico;• com óxidos de ferro forma silicato (faialita, funde a < 1.200°C)‏

Implicações higiênicas• Silicose: moléstia do pulmão (por inalação de pó de sílica)‏• efeito cumulativo, irreversível


Análise granulométricaSéries de peneiras

0,0200,0200,020

0,0530,0630,053

0,0760,0900,074

0,1040,1250,105

0,1520,15

0,2110,1800,21

0,2510,250

0,3530,3550,30

0,5000,500,42

0,6990,710,59

1,0031,00,84

1,6761,41,68

3,36

BSDINAFS


Relações entre aberturassérie AFS

3,962,831,981,400,053

4,052,842,031,420,074

4,002,862,001,430,105

3,932,802,001,400,15

4,002,812,001,430,21

5,602,801,971,400,30

8,004,002,001,400,42

5,692,851,420,59

4,002,000,84

2,001,68

3,36

4ª peneira3ª peneira2ª peneiraconsecutivamm


Empilhamento de grãos

adicionando grãos d1 ≤ D / 4,4densidade do empilhamento aumenta

adicionando grãos D > d1 > D / 4,4densidade do empilhamento diminui

maior esfera que cabe num interstício de esferas com ∅ = D ∅ ≈ D / 4,4

0 100% de esferas com D > d1 > D / 4,4

densidadevolume de vazios

0 100% de esferas com d1 ≤ D / 4,4

densidade

0 100

densidade

volume de vazios


010

20304050

607080

90100

0,010,1110abertura da peneira, mm

% re

tida

ou a

cum

ulad

a

% retida% acumulada

mm mi si, cm2/g ni, unid./g % ret % acum3,36 3 0 01,68 5 9,0 0,0045 0 00,84 10 18,0 0,036 0 00,59 20 31,7 0,197 0,23 0,230,42 30 44,8 0,560 3,51 3,740,3 40 62,9 1,545 18,12 21,86

0,21 50 88,8 4,346 34,48 56,340,15 70 125,8 12,36 30,45 86,790,105 100 177,6 34,77 10,76 97,550,074 140 253,0 100,53 1,92 99,470,053 200 356,6 281,47 0,12 99,590,02 300 620,3 1482,1 0,08 99,67

Características geométricas

π . d2mi

si =(π/6) . d3

mi . ρ

di + di-1

dmi =2

ρ = 2,65

6ni =

π . d3mi .ρ


Características geométricasÁrea específica real SR Soma das áreas superficiais de todas as

partículas contidas na unidade de massa da amostra, expressa em cm2/g; calculada a partir de uma medida em um permeâmetro (Blaine)

Área específica teórica ST ∑

∑ ×

i

ii

g)sg(

Média ponderada, expressa em cm2/g, das áreas superficiais de cada fração granulométrica da amostra, calculadas supondo grãos esféricos de massa

Tamanho de grão: média geométrica TG ∑

∑ −××

i

)1i(ii

g

)ddg( Média ponderada dos tamanhos de grãos utilizando as médias geométricas das aberturas das peneiras que definem cada fração

Coeficiente de angularidade CA T

R

SS

Adimensional que quantifica o desvio da área real em relação à área teórica (supondo grãos esféricos), o que eqüivale ao desvio de forma do grão real médio em relação à forma esférica

Módulo de finura M ∑

∑ ×

i

ii

g)mg(

Representa aproximadamente a abertura - expressa em número de malhas por polegada -, da peneira virtual pela qual os grãos de areia com o tamanho médio ainda passariam

Número específico teórico dos grãos N ∑

∑ ×

i

ii

g)ng(

Número de grãos contidos na unidade de massa supondo idêntica distribuição e grãos esféricos

Diâmetro representativo dr π×

×NS10 T

Diâmetro correspondente à média geométrica ponderada calculada à partir da distribuição granulométrica, supondo os grãos esféricos

Área específica representativa rTS

rd6414,22

Área específica teórica da amostra de grãos esféricos com diâmetro dr (representativo)

Divergência da distribuição Dr rT

TrT

S

)SS(100

−×

Desvio percentual da área específica teórica em relação à representativa; é indicativo do quanto a distribuição granulométrica diverge da amostra uniforme com grãos de diâmtero dr


Forma dos grãos

Areia de Descalvado50 X 200 X

Grãos Coeficiente de angularidadeArredondados < 1,25Sub-angulares ~ 1,50

Angulares > 1,65

maior número de contatos (em areias angulares) → menor escoabilidade


Características geométricas × PropriedadesPermeabilidade

aumenta com o tamanho médio dos grãospara iguais tamanhos médios, aumenta com a concentração da distribuiçãoforma dos grãos: efeito pequeno, pois a variação de área específica tende a ser compensada pela variação da escoabilidade

Escoabilidade

principal fator: forças adesivas (% de argila, % água, ) mas número de contatos também é importante, de modo que escoabilidade aumenta com tamanho médio dos grãos, com a concentração granulométrica e é maior para grãos redondos

Difusividade térmicaem areias verdes, convecção é importante; por isso, a difusividade é favorecida por alta permeabilidade

Estabilidade térmica dimensionalé favorecida por baixa densidade de molde (permite que grãos expandam-se livremente e não contribuam para a expansão total) isto é, por fatores que limitem a escoabilidade


Correlações

Permeabilidade BaseX

Áreas específicase

Módulo

(12 areias-base do Estado de São Paulo)‏

M = 702,26 / P 0,5488

R2 = 0,9767

SR = 2183,8 / P 0,6019

R2 = 0,955

ST = 1559,8 / P 0,6048

R2 = 0,9759

0

50

100

150

200

250

300

0 100 200 300 400 500

Permeabilidade base, P, cm4 / g . min

Áre

a es

pecí

fica

teór

ica

e re

al, c

m2

/ g


Areias-base para açosPureza

Temperatura de vazamento ~ 1600° C; baixos teores de C; teores apreciáveis de Mn, Cr ... → alta suscetibilidade à oxidação no estado líquido; alguns óxidos reagem com SiO2 → reações metal-molde ( “escória”, gases)‏A reatividade é realçada por baixa tensão interfacial óxidos-sílica (óxidos molham a sílica) → penetração do aço (tensão interfacial aço-sílica é alta, dificulta penetração se não houver oxidação).Exceto casos extremos, empregam-se areias de quartzo de alta pureza (99% SiO2 ou mais) e, na prática, não se usam areias de quartzo com menos de 99,5% SiO2 para a fundição de aços.Sendo provável a existência de óxidos reativos no líquido no momento do vazamento, freqüentemente escolhe-se outro mineral-base (diferente do quartzo): cromita ou zirconita (maior inércia química menor expansibilidade térmica e maior difusividade térmica) e/ou uso de tintas de fundição, principalmente em áreas do molde correspondentes a pontos quentes das peças e no caso de peças de grande porte.

Módulo de finuraTamanho médio de grão grande → alta permeabilidade, aquecimento lento (melhor estabilidade térmica e maior refratariedade aparente)‏Módulos de finura na faixa de 45 a 65

• módulos na faixa mais grossas para peças pesadas• módulos na faixa mais fina para peças pequenas • areias ainda mais grossas (módulos ~ 40) para peças particularmente grandes (faceamento com areia

mais fina e/ou pintura refratária)‏

Distribuição granulométricaDeve ser espalhada: pelo menos 3, preferivelmente, 4 peneiras (consenso: 90% em 4 peneiras consecutivas) ‏A forma dos grãos sub-angular (evita as altas densidades de empilhamento que são características de grãos arredondados ou excessivamente angularesO aquecimento intenso e brusco exige areia-base com grãos íntegros (sem trincas ou descontinuidades)


Areias-base para ferros fundidos

PurezaAreias com mínimo de 99% SiO2 são comumente usadas para a fundição de ferros fundidos.Para peças pequenas podem ser aceitas areias menos puras (mínimo de 95% SiO2, desde que as impurezas não sejam constituídas principalmente por álcalis.

Módulo de finuraNão há muita liberdade na escolha de módulos de finura (tamanhos médios de grãos), pois a maioria das jazidas de areia é operada dando prioridade à indústria do vidroOs módulos mais comuns na fundição de ferros fundidos situam-se entre 55 e 65.Para muitas aplicações seriam desejáveis areias mais finas (módulos entre 70 e 80), mas estas não têm sido disponibilizadas para a indústria de fundição.

Distribuição granulométricaGeralmente aceitam-se distribuições com concentração de 90% em quatro peneiras consecutivas.As relações de aberturas entre uma dada peneira e as 2ª e 3ª consecutivas é 1,4 e 2 respectivamente (menores que 2,5); portanto, os grãos dessas peneiras não cabem nos interstícios dos grãos da 1ª peneira.Grãos da 4ª peneira consecutiva cabem nos interstícios dos grãos da 1ª peneira (a relação de aberturas é 2,83 > 2,5), reduzindo a rigidez do empilhamento.


Areias-base para ligas de cobre (bronzes e latões)‏Ampla faixa de temperaturas de vazamento ~ 1100 a 1200°C (até 1350°C) e diversidade de características de fundição, levam à definição de 3 grupos de ligas de cobre fundidas:

Ligas do grupo I: “molham” o molde: Cu-Sn-Pb-Zn (especialmente se contiverem P), de alto Pb (bronze 85-5-5-5, bronze M, bronze G, bronzes de alto Pb, ...) - exigem a maior atenção para a areia de moldagem. Temperaturas são suficientes para ocorrência de sérios defeitos de expansão térmica e para rápida evolução de gases e vapores. Devido à tendência de "molhar" o molde e (certas ligas) possibilidade de exsudação de eutético, há tendência a adotar areias-base mais finas que as usadas para os ferros fundidos, porém mais concentradas (para não prejudicar a permeabilidade)‏

•pureza - não precisa ser elevada: são aceitáveis teores de sílica de aproximadamente 90%

•módulos de finura - entre 65 e 90, conforme tamanho das peças

•distribuições granulométricas - em geral concentradas entre 3 e 4 peneiras consecutivas; se acabamento superficial é primordial (peças ornamentais, muito pequenas): módulos de finura 100 a 120

Ligas do grupo II: não “molham” o molde e solidificam com formação de filme contínuo (ex.: bronzes ao Mn, ao Al, ao Mn-Al, ao Ni-Al, ao Si) - embora as temperaturas de vazamento sejam um pouco mais altas, apresentam menores problemas

•pureza - nos mesmos níveis usados para as ligas do grupo I

•módulos de finura - na faixa entre 60 e 70 (podendo chegar e 90 para peças pequenas)‏

•distribuições granulométricas - podem ser semelhantes às usadas para ferros fundidos e aços

Ligas do grupo III: alta temperatura de vazamento: ex.: cupro-níqueis, ligas contendo Co e Cr (para fins de seleção de areia-base, pode-se incluir neste grupo certas ligas de Ni) - no que concerne à seleção de areia-base podem ser assemelhadas aos ferros fundidos ou aos aços, de acordo com as temperaturas de vazamento adotadas em cada caso


Areias-base para ligas de alumínioTemperaturas de vazamento moderadas (em geral abaixo de 760°C)‏

Densidade baixa (resulta baixas relações metal : areia, de modo que a solicitação térmica imposta aos moldes é ainda mais baixa que a sugerida pela temperatura de vazamento)‏

Quantidade de calor transmitida aos moldes por radiação quase desprezível (defeitos devidos à expansão térmica ficam restritos às áreas em que o metal flui sobre a meia-caixa inferior)‏

Por isso, os moldes para fundição de ligas de alumínio:

•não requerem areias-base puras

•podem exibir baixas permeabilidades (as baixas tensões superficiais dessas ligas exigem moldes com poros pequenos para evitar rugosidade superficial excessiva nas peças)‏

•não são particularmente exigidos quanto à estabilidade térmica dimensional

•pureza - as areias de quartzo, mesmo que impuras são quimicamente inertes em relação à maioria das ligas de alumínio fundidas (constituem exceção notável as ligas com teores de magnésio superiores a cerca de 8%); mesmo estas últimas podem ser fundidas em moldes à base de sílica, desde que sejam empregados inibidores de reação (0,5% a 0,8% de enxofre e 0,25% a 2% de ácido bórico ou 2% a 5% de ácido bórico apenas, conforme o porte da peça fundida

•módulos de finura - requerem-se, em geral, areias finas: faixa ampla de 70 a 150

•distribuição granulométrica - não é fator particularmente importante, mas distribuições espalhadas tendem dar melhor acabamento (mas a reprodução de detalhes finos pode exigir permeabilidade só alcançada com distribuições concentradas)‏

•forma dos grãos - podem-se usar grãos angulares, principalmente nos casos em que a pressão de compactação dos moldes for moderada


Areias-base para ligas de magnésioExtremamente reativas com a sílica, com o oxigênio e com o vapor d'água

Não fosse essa reatividade, as areias-base para magnésio poderiam ser semelhantes às utilizadas para alumínio

A necessidade de se introduzir inibidores de reação (como enxofre e ácido bórico) e a impossibilidade de contato prolongado do Mg líquido com vapor d’água e ar, exige permeabilidades dos moldes bastante mais altas que para o caso do alumínio.

•pureza - não é relevante

•módulos de finura - a faixa recomendável é de 60 a 70, conforme o porte da peça

•distribuição granulométrica - espalhada em 3 ou 4 peneiras (recomendável, mas não essencial)‏

•forma dos grãos - para evitar o excesso de aglomerante (e, portanto, de umidade) grãos devem ser arredondados ou sub-angular (para limitar área superficial total dos grãos) ‏

areia verde e areia ligada...

Documents