Areias de moldagem

Areias de moldagemProf. Hlio PadilhaAreia de moldagemAreia de Moldagem um sistema heterogneo constitudo essencialmente de um elemento granular refratrio (normalmente areia silicosa), um ou mais aglomerantes e um plastificante (gua). Alternativamente a gua pode ser suprimida se o aglomerante utilizado for lquido.A areia de moldagem deve apresentar elevada refratariedade, boa resistncia mecnica, permeabilidade adequada e plasticidade (ou moldabilidade). J da areia destinada fabricao de machos espera-se, alm dos requisitos exigidos para a areia de moldagem, boa colapsibilidade, definida como a perda de resistncia da areia aps o incio da solidificao da pea.

ClassificaoQuanto origem: Natural, semi-sinttica ou sinttica. Apesar de j estar "pronta" a areia natural tem sido pouco utilizada dada as suas baixas propriedades.Quanto ao uso: Nova ou reciclada. Fundio 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 estveis. Na areia reciclada so adicionadas tambm pequenas quantidades de aglomerantes e gua.Quanto ao emprego: Areia de moldagem (faceamento ou enchimento) e areia de macho.Quanto ao estado de umidade: mida (verde) ou seca (estufada).Propriedades exigidas da areiaEstabilidade trmica e dimensional elevadas temperaturasDistribuio de forma e tamanho de partculas adequadoNo apresentar reatividade qumica com o metal fundidoNo apresentar molhabilidade fcil com o metal fundidoEstar livre de substncias e partculas de baixo ponto de fusoTer mnima gerao de gases em altas temperaturasApresentar baixo custo e disponibilidadeApresentar composio uniformeTer compatibilidade com os aglomerantes

Moldabilidade a propriedade da areia de produzir as formas do modelo com o mnimo esforo. Em outras palavras, a capacidade de produzir moldes. Para garantir esta propriedade, a areia deve apresentar algumas caractersticas bsicas:Escoabilidade: promove o escorregamento dos gros sob ao de foras externas. Assim, a areia assume as formas e detalhes do modelo, uniformemente compactada em todo o molde.MoldabilidadeConsistncia: capacidade de a areia compactada estabilizar sua forma, normalmente medida por testes de compresso a verde.Plasticidade: capacidade da massa de areia compactada se deformar plasticamente, dada uma solicitao mecnica externa, medida geralmente por deformao a verde, obtida no ensaio de resistncia compresso a verde.

Resistncia mecnicaEnvolve a capacidade da areia manter a forma da cavidade do molde aps a extrao do modelo, alm de resistir a esforos dinmicos e estticos do metal lquido durante o enchimento do molde.

PermeabilidadeDefine o quanto a areia se deixa transpassar por gases formados na etapa de vazamento do fundido lquido quente no interior do molde.Esta propriedade permite a passagem das substncias gasosas produzidas durante a fundio do metal atravs do molde sendo relacionada com a existncia de pequenos espaos entre as partculas de areia dados o constante tamanho das partculas e a presena de um agente de ligao.

Resistncia trmicaMede o quanto as caractersticas da areia de moldao so afetadas pelo calor envolvido no processo de vazamento. O calor liberado pelo metal no interior do molde exige refratariedade da areia, ou seja, a resistncia ao amolecimento ou degradao quando em contato com o metal lquido.A areia deve ser tambm quimicamente inerte, no reagindo ou reagindo minimamente com o metal, de forma a no comprometer suas caractersticas por degradao qumica.O calor pode dilatar a areia, comprometendo a estabilidade dimensional do molde.

ComponentesAreia-baseA areia-base uma areia refratria, normalmente silicosa, sendo que se for originria de areia de praia deve ser lavada previamente para retirada dos sais. A composio qumica da areia-base afeta a dilatao trmica da areia, a reatividade com o metal fundido mas, principalmente, a refratariedade do molde. Essa ltima propriedade particularmente importante na fundio de ao.

Areia baseA constituio mineralgica das areias a base de slica essencialmente de quartzo (acima de 99%) e impurezas com menos de 1% (predominando feldspatos K2O, Al2O3 e argila). A areia de slica a principal integrante da mistura de areia de moldagem a verde.A areia base o constituinte presente em maior quantidade nas areias de fundio.Os tipos de areia mais empregados na fundio de peas so:

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

GranulometriaA granulometria da areia-base afeta a permeabilidade da areia e a penetrao metlica. Considerando que a distribuio dos gros seja relativamente estreita, quanto maior for o dimetro desses mais permevel ser a areia (isso bom pois facilita o escoamento dos gases) porm maior ser a penetrao metlica, implicando num acabamento "pobre".

AglomerantesSo materiais que envolvendo e ligando entre si os gros conferem areia, aps compactao, secagem ou reao qumica, as caractersticas necessrias ao processo de moldagem, isto , resistncia s solicitaes dinmicas, estticas e trmicas provocadas pelo metal fundido. Para um dado aglomerante, com o aumento do seu teor aumenta a resistncia e a dureza da areia e diminui a permeabilidade. Os aglomerantes se subdividem em aglomerantes inorgnicos, orgnicos e sintticos.

Argila (bentonita)A argila pode ser definida como uma rocha, geralmente plstica, constituda essencialmente de silicatos de alumnio hidratados, denominados minerais de argila, que podem conter slica livre e outras impurezas.As bentonitas so argilas constitudas principalmente pelo argilo-mineral montmorilonita (aproximadamente 80%) (argilo mineral com trs camadas, sendo uma camada de gibbsita e duas camadas de slica), associadas a alguns elementos e impurezas como metais alcalinos-terrosos, matrias orgnicas e argila silicosa sob a forma de gros finos.

14BentonitaAs bentonita mais comuns so:Bentonitas naturaisBentonitas clcicas naturaisBentonitas sdicas naturaisAs bentonitas sdicas apresentam melhores propriedades para a utilizao em fundio do que as clcicas. Por esta razo realiza-se um tratamento em algumas bentonitas clcicas naturais, transformando-as em bentonitas sdicas artificiais, que apresentam melhores resultados como aglomerantes da areia.A este tratamento, que consiste essencialmente numa troca de ctions ligado bentonita, d-se o nome de ativao.A bentonita o aglomerante da areia base, que na presena de gua interlamelar aumenta as foras de ligao entre a lamelas de bentonita, dando maior resistncia aos moldes.

Areias no-silicosasA opo por uma areia-base no-silicosa parte da constatao de que a areia silicosa apresenta - quando comparada com outras composies - inmeras desvantagens como elevada expanso volumtrica e elevada reatividade com o metal fundido.Das areias no-silicosas a de zirconita seria a areia ideal em termos de propriedades, no fosse pelo alto custo.A de cromita apresenta maior capacidade de extrao de calor do que a areia comum.

Aglomerantes orgnicosA areia aglomerada por resinas sintticas de resistncia quente, infusveis. Estas resinas so aplicadas em p ou sob a forma lquida, de modo a revestir os gros de areia.As resinas sintticas vm sendo utilizadas comercialmente nos mais diversos produtos desde o incio do sculo XX.As resinas sintticas para fundio so as chamadas resinas termofixas, que so compostos que se solidificam e se tornam produtos insolveis, infusveis, rgidos, estveis e so elementos aglomerantes dos gros de areia, utilizadas para a confeco de moldes e machos.De acordo com sua composio, as principais resinas sintticas utilizadas para fundio so classificadas como:Resina Furnica;Resina Fenlica;Resinas para processo Cold Box (amina-uretnico-fenlico);

Aglomerantes orgnicosResina furnica.Resinas furnicas so resinas sintticas termofixas com 3 componentes ativos: uria-formol/lcool furfurlico ou fenolformol/lcool furfurlico.O percentual das resinas furnicas est compreendido entre 0,6 a 1,5% sobre o peso da areia utilizada.Resina fenlica.Resinas fenlicas so resinas sintticas termofixas produzidas atravs da reao qumica de fenol e formol. As primeiras informaes sobre resinas fenlicas 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 fenlicas est compreendido entre 0,6 a 1,5% sobre o teor de areia (em peso).Aglomerantes orgnicosResina para o processo cold box (amina-uretnico-fenlico).As resinas termofixas para o processo cold box (amina-uretnico-fenlico) so compostas de trs partes, que tm as seguintes denominaes:Resina parte I: uma resina do tipo fenol ter poli-benzlica, obtida atravs da reao de condensao formol/fenol, dissolvida em uma mistura de hidrocarbonetos aromticos.Resina parte II: um poli-isocianato (difenil-metano-diisocianato) dissolvido em compostos aromticos.Catalisadores: So compostos qumicos auxiliares utilizados em conjunto com as resinas sintticas para promover a polimerizao ou cura.A quantidade de uso das resinas cold box (amina-uretnico-fenlico) 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). Porm, uma pequena variao dessa proporo admissvel.AditivosSo substncias que misturadas areia de moldagem, em teores inferiores a 1%, modificam suas propriedades, minimizando certos tipos de defeitos.

Aditivos carbonceos (p de carvo)O principal aditivo desta classe o p de carvo mineral (conhecido como p cardiff).Os ps de carvo so materiais que se decompem numa grande variedade de produtos sob a influncia do calor, a temperaturas geralmente compreendidas entre 315 e 980 C. A maioria dos gases do p de carvo desprende-se entre 315 a 650 C, e o seu desprendimento cria uma atmosfera redutora, favorecendo a uma melhoria do acabamento superficial das pea fundidas.A utilizao desse tipo de aditivo tem os seguintes objetivos:

Evitar a aderncia da areia com a pea fundida.Evitar a penetrao do metal lquido no molde.Melhorar acabamento superficial das peas fundidas.Reduzir a ocorrncia de defeitos devido a expanso da slica.

AditivosAditivos Amilceos (Amido de milho).Os aditivos amilceos (amido de milho) so usados como aditivos em areias para os mais diversos tipos de ligas fundidas.O emprego de amidos maior em fundies de ao onde aditivos carbonceos encontram srias restries devido a possibilidade de provocarem uma carburao superficial das peas fundidas, mas muitas fundies que fabricam ferro fundido tambm os utilizam.Os amidos tm uma certa capacidade de absoro de gua e so 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 incidncia de quebra de moldes no ato da extrao do modelo.

TintaA principal funo de uma tinta a criao de uma camada intermediria entre areia e metal, visando conferir um bom acabamento ao molde ou macho e, por conseguinte, pea. A tinta constituda de uma substncia refratria (grafite ou zirconita), uma substncia aglomerante (bentonita, por ex.) e um solvente (gua ou lcool). A pintura pode ser feita por pincel, pistola ou imerso, sendo imprescindvel que a camada aplicada seja fina e que o solvente seja totalmente evaporado por ocasio da queima da tinta, evitando que a tinta seja mais uma fonte de defeito na pea fundida.Ensaios e controle da areiaQuando se trabalha com areias reciclveis (areia-verde) importante monitorar periodicamente propriedades da areia como resistncia, 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 ocorrncia de defeitos em determinados lotes de peas.Para medir a resistncia da areia utilizam-se equipamentos com acionamento hidrulico e mltiplas opes de ensaios. Normalmente possvel se medir resistncia compresso (usual); resistncia trao (para areias com elevada resistncia); resistncia ao cisalhamento e flexo (mais importante para machos).Ensaios e controle da areiaCom o equipamento denominado permemetro mede-se a permeabilidade da areia, que dada pela quantidade de ar que atravessa longitudinalmente um corpo de prova padro. Existem disponveis no mercado equipamentos onde, aps a colocao da areia a ser testada, o corpo de prova compactado e submetido a mltiplos testes como ensaios mecnicos diversos e teste de permeabilidade, entre outros.

Ensaios e controle da areiaJ a medida da umidade da areia pode ser determinada atravs da perda de massa decorrente da secagem - em estufa ou secador - de uma dada quantidade de areia. Para areias com ligantes orgnicos que poderiam ser evaporados juntamente com a gua, pode-se usar o mtodo a frio que consiste na reao da gua com Carbureto de Clcio, gerando gs acetileno. Assim, a quantidade e gs formado proporcional umidade da areia e existem dispositivos que indicam esse valor automaticamente.Ensaios e controle da areiaOutros ensaios gerais (anlise granulomtrica da areia, teor de argila da areia base) ou especficos (como fluidez da resina, por exemplo) tambm podem ser realizados.Normalmente a areia-base comprada vem acompanhada da composio qumica mdia e da anlise granulomtrica. A granulometria dada pelo ndice de Finura (IF) que corresponde mdia ponderada da massa retida em cada uma das peneiras de uma srie padro. Normalmente se utiliza a srie da AFS (American Foundrymens Society) e a escolha do I.F. depende do metal a ser fundido.

Penetrao de metal lquido na areiaEspecialmente em moldes de mdio e grande porte pode haver presso do metal lquido suficiente para fazer com que ele efetivamente penetre entre os gros de areia.Nos moldes este problema pode ser minimizado com algumas aes, como por exemplo:Pintando o moldeMudando o mtodo de moldagem para manter altura baixa e baixa velocidade do fluxo.Usando areia mais fina no local propenso penetrao.Oolitizao da areiaDurante o vazamento, parte da areia recoberta com argila fica em contato direto com o metal lquido e sob o efeito do calor absorvido. Essa argila pode atingir temperaturas superiores da calcinao e com isso sofrer transformaes.A argila passa a ficar, a cada novo ciclo que fica em contato com o metal, na forma de finas camadas cermicas, que no possui mais efeito ligante.Sinterizao na interface metal moldeQuando metais ou ligas de maior ponto de fuso, como ferros fundidos e aos, entram em contato com impurezas de baixo ponto de fuso como silicato de sdio, xidos de ferro e argila inerte, entre outros, comum essas impurezas e parte dos gros se fundirem com parcela do metal e com isso gerar uma crosta sinterizada muito dura, que s pode ser retirada da pea por maarico ou esmerilhamento.Para minimizar este efeito, podem ser adicionados elementos carbonceos areia, como carvo mineral ou pintar o molde com tintas base de grafita (para ferros fundidos) ou zirconita (para aos).Reciclagem da areiaA areia de moldagem a ser reciclada precisa passar por determinadas etapas antes de ser empregada novamente. Isto por que aps a desmoldagem a areia se encontra quente, com torres e partculas metlicas. Assim, a fundio que opte por trabalhar com areia-verde deve possuir instalao de reciclagem da areia, visando a reutilizao desta.Para isso so necessrios equipamentos de transporte (correias, elevadores, etc.), de armazenamento (silos), peneiras (para eliminar parte dos finos e torres), separadores magnticos (para separar partculas ferrosas), etc.