Características e Propriedades das Areias para Moldagem e Macharia

1 7 AREIAS PARA MOLDAGEM E MACHARIA 71 Conceito de areia de fundição É um material heterogêneo constituído por 1 Substância granular refratária dita areia base geralmente areia silicosa 2 Elementos aglomerantes minerais argila e ou orgânicos óleos aglomerantes derivados de cereal etc 3 Outros elementos aditivos opcionais 711 Areia Base As características básicas das areias dependem de sua constituição mineralógica e de seus aspectos geométricos As areias mais usadas em fundição são as de quartzo sílica com temperatura de fusão 1728ºC cromita 2160ºC zirconita 2550ºC Olivina 1700ºC e a chamote 1760ºC 712 Sílica A sílica é o elemento mais abundante na crosta terrestre No Brasil existem areias de rios e de praias de elevada pureza As do litoral são mais procuradas para a fundição de aço Nos rios predominam areias com coloração avermelhada por conter pequenos teores de óxido de ferro na superfície dos grãos As areias de sílica são constituídas quase que exclusivamente por quartzo cuja densidade é de 265 e ponto de fusão de 1728ºC As impurezas presentes variam com a procedência da areia predominando feldspato K2O A2O3 6 SiO2 argila e óxido de ferro Lavagem para tirar o sal nas areias do litoral Lavagem para tirar argila nas areias de rio Quando aquecido o quartzo α que é a variante alotrópica da sílica estável aumenta de volume mais ou menos uniformemente até 573ºC quando ocorre a transformação reversível do quartzo α em quartzo β Acima de 867ºC começa a formarse a tridimita que é estável até 1470ºC A cristobalita é estável entre 1470ºC até seu ponto de fusão 1728ºC Como nos moldes de fundição apenas uma pequena parcela da areia é aquecida a temperaturas superiores a 867ºC durante um tempo relativamente curto com isso a 573ºC ocorre somente a transformação α para β ou viceversa Essa transformação deve ser responsabilizada pelos fenômenos de expansão térmica em moldes de fundição e causadores de defeitos tais como descascamento veiamento rabo de rato etc Essa expansão constitui a maior desvantagem no uso de sílica como areia base Outra desvantagem é a Silicose doença pulmonar adquirida pela aspiração de pó de sílica 2 72 Características da areia de fundição Para permitir uma moldagem fácil e segura as mais importantes são plasticidade consistência moldabilidade dureza resistência refratariedade Para a determinação destas características são realizados ensaios em laboratórios de controle de areias de fundição Os seguintes requisitos básicos devem ser considerados pureza granulometria tamanho de grãos distribuição granulométrica e porcentagem de finos dureza forma dos grãos integridade dos grãos refratariedade permeabilidade expansibilidade 73 Classificação de areias de fundição 731 Quanto à origem Areias naturais são utilizadas diretamente na moldagem de peças sem preparo especial apenas adequadamente umedecidas Areias sintéticas são obtidas artificialmente misturando os materiaisbase areia base e aglomerantes tomados isoladamente Os materiaisbase areia base aglomerantes minerais argila e ou orgânicos desempenham cada um função específica na areia de fundição sintética areia silicosa dá refratariedade ao molde argila elemento aglomerante aglomerantes orgânicos além da função óbvia conferem propriedades especiais como alta resistência mecânica e colapsibilidade Areias semisintéticas são modificações feitas em areias naturais com aglomerantes 3 732 Quanto à granulação e teor de argila A AMERICAN FOUNDRYMEN SOCIETY estabelece uma classificação em função do módulo de finura representa o diâmetro médio ideal da malha da peneira e da porcentagem de argila presente Classe Módulo de Finura Classe Argila 1 200 a 300 A 05 2 140 a 200 B 05 20 3 100 a 140 C 20 50 4 70 a 100 D 50 100 5 50 a 70 E 100 150 6 40 a 50 F 150 200 7 30 a 40 G 200 300 8 20 a 30 H 300 450 9 15 a 20 10 10 15 Ex modulo de finura 60 e 8 de argila classificação 5D 733 Quanto à parte do molde em que é usada Areias de faceamento formam as superfícies externas das peças ficando em contato direto com o metal líquido Exigem maiores cuidados na preparação Areias de enchimento servem para preencher as caixas onde são feitos os moldes após o revestimento do modelo com areias de faceamento Areias de macho areias de fundição especiais contendo ligantes químicos utilizadas para a fabricação dos machos 734 Quanto ao uso Areias novas areias utilizadas pela primeira vez em fundição Areias usadas perdem resistência devido à ação do calor sobre o aglomerante Devem ter suas propriedades corrigidas antes do reaproveitamento 735 Quanto ao teor de umidade Areias verdes areias de fundição que não são submetidas a nenhum processo de secagem após a confecção do molde contêm praticamente o mesmo teor de umidade utilizado na sua preparação Areias secas perdem grande parte da umidade nas superfícies que deverão estar em contato direto com o metal fundido Podem secar naturalmente ao ar ou com o auxílio de fontes de calor As areias de fundição são sempre moldadas compactadas no estado verde 4 736 Quanto à natureza do metal Para a seleção da areia adequada em função do metal a ser fundido as características normalmente consideradas são as seguintes temperatura de vazamento tensão superficial e atividade química estas características são bastante diversas exigindo diferentes requisitos do molde O alumínio é vazado a cerca de 750ºC e o aço em torno de 1450ºC O alumínio tem tensão superficial muito inferior ao aço O aço com alto teor de Mn e o Mg possuem atividades químicas que exigem do molde propriedades químicas especiais Tabela 71 Areias e sua utilização AREIAS FUNDIÇÃO DE SILICOSAS LIGAS COM BAIXAS TEMPERATURAS DE FUSÃO EX ALUMÍNIO BRONZELATÕES ETC SILICOALUMINOSAS FERRO FUNDIDO ALUMINOSAS AÇO E FERRO FUNDIDO ZIRCONITAS AÇO CROMITA AÇO 737 Quanto ao formato dos grãos Figura 71 a Grãos redondos proporcionam grande economia de tempo no socamento e apresentam a maior durabilidade São os mais aconselhados nas areias de enchimento b Grãos angulares produzem maior permeabilidade para um mesmo grau de compactação Usados em areias para machos Também empregados às vezes em areias de faceamento sintéticas c Grãos subangulares os mais aconselhados para faceamento em areias sintéticas d Grãos agrupados desaconselhados pela pequena durabilidade e dificuldade de controle granulométrico a b c 0000000000d Fig 71 a Grãos redondos b Grãos angulares c Grãos subangulares d Grãos agrupados 5 74 Requisitos básicos de uma areia de moldagem Escoabilidade A areia deve facilmente preencher o molde adotando a forma do modelo A escoabilidade adequada é aquela que produz moldes de densidade uniforme ao longo dos detalhes do modelo com o mínimo de energia Esta propriedade depende do teor de aglomerante umidade e tamanho dos grãos Consistência Após a compactação a areia deve reter a forma do modelo possuir resistência a verde Refratariedade Capacidade de resistência à fusão ou amolecimento que ocasionaria a sinterização Depende do tamanho dos grãos teor de argila e impurezas de baixo ponto de fusão Plasticidade Capacidade de deformarse elasticamente a verde mediante a aplicação de forças externas retornando à posição inicial quando estas cessam Um grau de plasticidade adequado é importante para permitir a extração do modelo e colocação de machos Dureza e Resistência Após a compactação a areia deve resistir ao manuseio das caixas e posteriormente à força do metal vazado Permeabilidade Capacidade de permitir que os gases gerados durante o vazamento e o ar presente dentro do molde escapem da peça Depende do tamanho de grão teor de aglomerante umidade e grau de adensamento do molde 6 75 Teor de argila e granulometria Teor de Argila ativa Baixo Alto Mais barato Maior custo Consistência insuficiente Alta plasticidade Alta refratariedade Baixa permeabilidade Granulometria Devem estar presentes em proporções definidas grãos grossos médios e finos para assegurar um equilíbrio nas propriedades do molde boa permeabilidade bom acabamento superficial e refratariedade suficiente Importância do tamanho dos grãos Quanto mais fina a areia base empregada Logo devese escolher uma melhor será o acabamento da peça areia com a granulometria Por outro lado quanto mais grossa a areia apropriada para o serviço base empregada mais elevada será a que se tem em vista permeabilidade do molde Dentre várias areias base que fornecem a permeabilidade desejada e tendo em vista o acabamento da peça devese escolher a de módulo de finura mais elevado ou seja a de grãos mais finos este critério é todavia contrário ao que se deve tomar visando a economia de aglomerantes Tabela 72 Classificação das areias em função do módulo de finura AREIAS MÓDULO DE FINURA GROSSAS 50 E GERALMENTE 30 MÉDIAS ENTRE 50 e 70 FINAS ENTRE 70 e 100 MUITO FINAS ENTRE 100 e 150 FINÍSSIMAS 150 Areias finas conferem bom acabamento superficial à peça são utilizadas para faceamento Por serem finas requerem grande quantidade de aglomerante reduzindose a porosidade da areia e a liberação dos gases produzidos no interior do molde quando do vazamento do metal líquido é dificultada isso provoca o surgimento de falhas nas peças Areias médias e grossas são usadas para enchimento do molde 7 76 Aditivos Para melhorar algumas propriedades das areias de fundição podem ser utilizados os seguintes aditivos Carbonáceos formadores de carbono vítreo CV Redução da rugosidade superficial das peças Melhorando o acabamento superficial Formação de uma atmosfera redutora Exemplo pó de carvão além de formar CV permite acomodação dos grãos de areia em expansão após o vazamento permite a utilização de areias com maior teor de umidade e aumenta a plasticidade do molde Bentonita sódica De origem mineral composição similar à da argila é encontrada sob a forma de pó Tem grande poder de suspensão grande índice de plasticidade e valores elevados de resistência Produz uma estrutura com maiores vazios maior permeabilidade do molde que associada a uma menor umidade resulta em redução da incidência de defeitos como porosidade nas regiões superficial e subsuperficial Recomendado para a fundição de metais com alto ponto de fusão e tensão superficial Pó de madeira serragem Usada eventualmente para atenuar os efeitos da expansão do molde tensões Apresenta alto teor de voláteis o que limita sua utilização Mogul farinha de milho gelatinizada Melhora a plasticidade evitando a quebra do molde em determinadas situações Apresenta como desvantagens a dificuldade de compactação aumento de rugosidade localizada e geração de gases 77 Composição e utilização de areias Uma composição típica de areia sintética de fundição é a seguinte partes em peso areia 100 argila 20 água 4 As areias reutilizadas constituem o caso mais geral a principal questão sob o ponto de vista econômico é obter um alto índice de recuperação podese chegar a 98 Após o vazamento do metal fundido os moldes são desmoldados geralmente em desmoldadores constituídos essencialmente por grades vibrantes a vibração geralmente é suficiente para que os moldes se desfaçam deixando livres as peças após desmoldada a areia deve sofrer um tratamento completo separação magnética de metais e peneiramento para remoção de pedaços de macho e outros contaminantes este peneiramento é feito na prática por meio de peneiras basculantes 8 78 Preparação da areia A preparação da areia segue a seguinte rotina SECAGEM MISTURA MOLDAGEM 781 Secagem Secagem natural utilizase o calor do sol a areia é espalhada num piso pátio em camadas finas a fim de que se retire a sua umidade Secagem industrial é feita por intermédio de equipamentos que utilizam combustível como fonte de calor figura 72 Este tipo de queimador contamina a areia devido ao fato do resultado da combustão estar em con tato direto com a areia podendo haver prejuízo para as peças fundidas Já com este tipo de quei mador também rotativo não há contaminação da areia Figura 72 Queimadores para secagem industrial de areias 9 782 Mistura Misturador Galga moinhos de rolos usado em laboratório e para mistura de pequena quantidades figura 73 Figura 73 Misturador Galga moinhos de rolos Misturador contínuo usado em fundições grandes onde se requer grande consumo de areias para moldagem figura 74 Figura 74 Misturador contínuo 783 Moldagem Será objetivo dos capítulos em função dos processo de fundição 10 79 ENSAIO GRANULOMÉTRICO DE GRÃOS DE AREIA Conforme sistema estabelecido segundo AFS AMERICAN FOUNDRYMEN SOCIETY os grãos de areia são classificados através do ensaio a seguir Em uma máquina de ensaio figura 75 onde um jogo de onze 11 peneiras e um recipiente cada peça com diâmetro de 200 mm e altura de 254 mm figura 76 é submetido a um movimento circular alternativo sacudidas através de um motor elétrico O mecanismo da máquina possui também um braço com movimento alternado que aplica golpes leves sobre a parte superior do jogo de peneiras O tempo de ensaio é de 15 minutos durante os quais a areia passa sucessivamente pelo jogo de onze 11 peneiras numeradas segundo a quantidade de malhas por polegada linear a peneira com maior abertura de malha é a nº 6 ou seja tem seis malhas por polegada linear a peneira com menor abertura de malha é a de nº 270 Após pesase o resíduo de areia que ficou em cada peneira e a areia que passou para o recipiente colocado embaixo da última peneira RSP Esses pesos são multiplicados por um fator K FK cujo valor depende de cada peneira e do recipiente ver tabela 73 Os resultados desses produtos são somados ΣRFK e finalmente dividese esta soma pelo peso total da amostra ensaiada ΣRSP Desta maneira é determinado o Módulo de finura MF O módulo de finura é um número que indica o número de malhas por polegada linear pelo qual passaria a areia de moldagem se esta tivesse um tamanho uniforme de grãos Fig 75 Máquina de ensaio Fig 76 Peneiras Tabela 3 Número da peneira abertura de malha e fator K segundo o sistema da AMERICAN FOUNDRYMEN SOCIETY AFS Peneira Abertura da malha mm Fator K 6 3360 3 12 1680 5 20 0840 10 30 0590 20 40 0420 30 50 0297 40 70 0210 50 100 0149 70 140 0105 100 200 0074 140 270 0053 200 Recipiente 300 11 Exercício 71 A tabela abaixo apresenta os dados de um ensaio granulométrico de grãos de areia realizado segundo as normas da A FS com 21 de argila 711 Classificar a areia conforme norma da A F S Classe numérica Classe alfabética 712 Classificar a areia segundo a Tabela 72 Peneira Resíduo sobre a peneira g 6 000 12 000 20 078 30 650 40 700 50 150 70 097 100 040 140 020 200 015 270 006 Recipiente 014 MF Módulo de Finura RSP Resíduo sobre a peneira FK Fator K RFK RSP x FK MF ΣRFK ΣRSP