UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO TECNOLÓGICO - CTC DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNCIA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO TECNOLÓGICO - CTC DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNCIA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS RELATÓRIO DE ESTÁGIO CURRICULAR I (PERÍODO DE 09/09/2009 A 18/12/2009) VICTOR RAFAEL LAUTH Matrícula: Florianópolis

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO TECNOLÓGICO - CTC DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNCIA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS RELATÓRIO DE ESTÁGIO CURRICULAR I Electro Aço Altona S.A. Unidade de Produtos Repetitivos Coordenador de Estágios: Paulo Wendhausen Concordo com o conteúdo desse relatório Orientador: Valdenor Wayers Supervisor: Francisco Carlos B. Vilaboim Florianópolis, dezembro de

3 Electro Aço Altona Rua Engenheiro Paul Werner, 925 Itoupava Seca Blumenau Santa Catarina CEP Fone: (47) Fax: (47)

4 AGRADECIMENTOS Primeiramente, gostaria de agradecer aos meus familiares, pelo suporte e paciência quando necessário. À empresa pela oportunidade de desenvolver meu primeiro estágio com total liberdade para me dedicar e crescer nesta área de moldagem. Aos professores Pedro Novaes e Germano Riffel que tanto contribuíram aos estágios curriculares do curso. À Valdenor Wayers, Vanderlei Justen, Jorge da Silva Filho, Irandir Mendes, Luiz Ribas Chiquitti, Denilson Pereira de Souza, José Adilson dos Santos, Luís Ricardo Martins, João Maria Padilha, Larissa da Silva, Allan Kimpinski, Bruna Deschamps, Tomás Ferrari, Fernando Maccari, Darlan Pressi e Gustavo Henrique Keunecke, essenciais para o desenvolvimento do presente relatório. 4

5 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO TRABALHOS REALIZADOS PADRONIZAÇÃO DA MACHARIA COLD BOX Objetivo Revisão teórica Procedimentos Apresentação e discussão dos resultados Teste da influência da pressão de sopro nas propriedades mecânicas dos machos Conclusão RESINA NÃO INFLAMÁVEL COLD BOX Objetivo Revisão Teórica Procedimentos Análise e discussão dos resultados Conclusão RESINA FURÂNICA Objetivo Revisão Teórica Procedimentos Apresentação e discussão dos resultados Conclusão e Recomendações CONCLUSÃO REFERÊNCIAS ANEXOS

6 1 INTRODUÇÃO Este relatório contempla as atividades desenvolvidas no estágio curricular do Curso de Graduação em Engenharia de Materiais realizado na empresa Electro-Aço Altona S.A. no período de 09/09/2009 à 18/12/2009. Dentre os trabalhos realizados no estágio, o enfoque deste relatório será a padronização da macharia Cold Box, o teste da resina Isocure I 400 e Isocure II 630 na macharia Cold Box e teste da resina Furânica na moldagem Fast Loop. O trabalho de padronização da macharia Cold Box, que utiliza o processo de endurecimento a frio através da cura por gasagem, foi um trabalho de coleta de dados da máquina Vick HV-2 e contou com experimentos nas quais as variáveis das máquinas que trabalham com Cold Box foram testadas. A idéia principal do trabalho foi achar um padrão para essas variáveis que proporcionassem ao mesmo tempo bons valores de propriedades mecânicas, economia de energia e agilidade ao processo. Também na macharia Cold Box, realizou-se um teste com uma nova resina, Isocure I 400 e Isocure II 630, no qual se discutiu a viabilidade de introduzi-la na empresa. Como esta resina não é inflamável, o contrário da resina atual, mais segurança seria assegurada para os operadores da máquina Vick HV-2 e Bicor, máquinas que trabalham com o processo Cold Box. Em paralelo ao trabalho realizado na macharia, foi realizado um teste com a resina Furânica na moldagem Fast Loop. Essa resina foi testada porque outras empresas já a utilizam regularmente e obtém excelentes resultados. Além disso, o teste serviu como uma prova real para ver qual seria seu desempenho em algumas peças críticas fabricadas. Os métodos de análise e as ações tomadas para cada projeto serão descritas adiante. 6

7 2 TRABALHOS REALIZADOS Os trabalhos desenvolvidos durante o período de estágio que serão abordados no presente relatório serão: a padronização da macharia Cold Box, o teste com a resina não inflamável na macharia Cold Box e teste com a resina Furânica na moldagem Fast Loop. 2.1 PADRONIZAÇÃO DA MACHARIA COLD BOX A macharia Cold Box é composta pelas máquinas Vick HV-2 e Bicor. Nestas são produzidos machos com 45 kg, com uma média aproximada de machos por hora. O setor de macharia é imprescindível para a boa qualidade das peças fundidas, pois machos com boas propriedades mecânicas e acabamento superficial correto reduzem consideravelmente as chances de refugos e futuros retrabalhos Objetivo Esse trabalho teve por objetivo achar um padrão para as variáveis da máquina Vick HV-2, que utiliza o processo de cura por gasagem. Esse padrão deve proporcionar bons valores de propriedades mecânicas para o macho produzido e ao mesmo tempo economia de energia e agilidade ao processo. Outro objetivo foi encontrar qual a causa da dispersão dos valores das variáveis desta máquina antes da padronização ser introduzida Revisão teórica O setor de macharia é responsável pela produção de machos na qual terão a função de produzir cavidades no fundido. Sua produção segue as etapas: a areia misturada (areia + resina + catalisador) é acondicionada em uma caixa de macho bipartida e compactada. Com o passar do tempo, a resina é curada pela presença do catalisador. Após a cura completa, retirase o macho da caixa e dispõe-se para posterior pintura e utilização no processo. Certos cuidados devem ser tomados em relação às dimensões do macho [1], pois esse deve deixar sobremetal para usinagem e também compensar a contração metálica durante a solidificação. Os machos podem ser produzidos de diferentes formas. Na empresa, existem os processos: Pep-set e Cold Box. 7

8 O Pep-set é um processo de cura a frio, elaborado com duas partes de resina (resina parte I e resina parte II) e um catalisador líquido. Quando esses são adicionados à areia, a reação de cura se inicia, embora de forma mais lenta que o Cold Box, possibilitando um bom tempo de enchimento do macho. O processo de Pep-set tem como característica o baixo odor e a boa fluidez da areia. Já o Cold Box é um processo de endurecimento a frio de cura por gasagem, denominado caixa fria. É constituído por duas partes de resina. A resina parte 1 é do tipo fenólica, enquanto a parte 2 é um poliisocianato. A mistura das resinas acontece em um misturador e após a homogeneização da mesma, esta é soprada para dentro de uma caixa de macho com uma pressão de sopro determinada. O processo seguinte é a gasagem. Nele, um catalisador líquido (geralmente dimetiletilamina ou trietilamina) diluído com um gás de arraste (ar comprimido seco, CO 2 ou N 2 ) é liberado na caixa de macho com uma determinada pressão de gasagem, sob a forma de vapor. O catalisador tem como objetivo acelerar a reação de cura, só que neste processo, a resina cura instantaneamente quando entra em contato com o catalisador vaporizado. Dependendo da forma, peso e complexidade do macho que será fabricado, a quantidade de catalisador que deve ser injetada na caixa é diferente. Para isso, existe o tempo de dosagem. Essa variável controla o tempo na qual a válvula que libera a entrada do catalisador na caixa de macho fica aberta. Quanto mais tempo aberta, mais catalisador entrará, possibilitando curar uma maior quantidade de mistura areia+resina. O tempo necessário para o macho curar é denominado tempo de gasagem. Esse tempo é o tempo que a amina leva para se expandir dentro da caixa. Com o macho já curado, a operação de purgagem do catalisador se inicia. Nesta, ar é soprado para dentro da caixa de macho a fim de eliminar qualquer resquício do catalisador, tanto líquido quanto vaporizado, evitando contaminações do ambiente de trabalho. A principal característica do processo Cold Box é a alta produtividade, baixo consumo energético, boa precisão dimensional, bom acabamento superficial e alta colapsabilidade dos machos. Uma das desvantagens do processo é a necessidade de um sistema de exaustão de gases, de controle de temperatura e umidade da areia. As máquinas na empresa que utilizam este processo são: Vick HV-2 e Bicor. Acima foram citadas as variáveis das máquinas que trabalham com o processo de cura por gasagem: Pressão de Sopro, Pressão de Gasagem, Tempo de Dosagem e Tempo de Gasagem. A operação de purgagem do catalisador não é relevante para o processo, portanto não será analisada neste relatório. 8

9 Segundo literatura técnica [2], as variáveis que afetam diretamente a qualidade do macho produzido através desse processo são: a. compactação da areia b. umidade do sistema c. proporção de resina d. temperatura ambiente e. temperatura da areia f. ph da areia g. teor de impurezas da areia h. granulometria da areia i. forma do grão da areia j. demanda ácida da areia Dentre as variáveis das máquinas que trabalham com o processo de cura por gasagem, a variável que também afeta a qualidade do macho é a pressão de sopro. Ela influencia nas seguintes características: compactação da areia, colapsabilidade e permeabilidade. A pressão de sopro deve ser cuidadosamente escolhida, já que pressões adequadas aumentam a resistência do macho e melhoram seu acabamento superficial. Pressões de sopro excessivamente altas podem acarretar na lavagem da resina impregnada nos grãos de areia próximo ao bico de sopro, impossibilitando a cura durante a gasagem e conseqüentemente debilitando a resistência mecânica do macho. Pressões de sopro baixas podem comprometer a qualidade do mesmo diminuindo sua resistência à tração e mesmo impossibilitar sua confecção. Em relação à compactação da areia e a colapsabilidade, pressões elevadas de mais compactam o macho de tal forma que ele perde parte de sua colapsabilidade durante o vazamento. Ou seja, as partículas de areia estão tão próximas/compactadas, que mesmo com a queima da resina, a colapsabilidade é bem limitada. Entende-se por colapsabilidade a capacidade que o molde ou macho têm de ceder quando uma pressão, cuja origem é a contração do metal em solidificação, é aplicada sobre o mesmo. Por outro lado, pressões baixas não permitem uma boa compactação, o que poderá ocasionar problemas do tipo: sinterização da areia, erosão do macho e baixa resistência à tração. A pressão de sopro também afeta a permeabilidade do macho. Sabendo que permeabilidade é facilidade com que gases passam por entre os grãos de areia e resina, essa se 9

10 torna uma característica super importante. Se os gases resultantes da queima da resina, da tinta ou de materiais orgânicos presentes nas manilhas não puderem sair pelos respiros ou pelos espaços existentes entre a resina e a areia, o fundido poderá apresentar um elevado índice de porosidade devido a esses gases que migrarão para superfície do metal ainda líquido e lá ficarão aprisionados após sua solidificação. A seguir são apresentados os valores e métodos de cálculo ideais para as variáveis da máquina, segundo [2] e [3]: - Pressão de sopro: as pressões de sopro ideais devem ser entre 2,3 3,1 bars. - Pressão de gasagem: deve começar baixa (entre 0,2 e 0,3 bars) e crescer um valor máximo estipulado entre 1 a 2 bars. - Tempo de Gasagem: calcula-se o tempo de gasagem admitindo uma velocidade de cura objetivada de 1,4 kg/s para machos longos e finos, e 4,5 kg/s para machos maciços. - Tempo de Dosagem: calcula-se de acordo com a tabela 1. Tabela 1: Quantidade de TEA (catalisador) para curar machos. Peso do macho (kg) Volume específico TEA (cm 3 /kg) >4 2,2 entre ,1 entre ,4 a 1,0 FONTE: CORRÊA, Clélio José; VALERIANO FILHO, José Paulo; KNEZEVIC, Milan. Cold Box para alumínio. São Paulo: Sem editora, [2] Procedimentos Os valores das variáveis da máquina (Pressão de Sopro, Pressão de Gasagem, Tempo de Dosagem e Tempo de Gasagem) foram colhidos na Vick HV-2, analisados e padronizados para serem colocados em prática. Testes de permeabilidade e resistência à tração de blocos de prova foram feitos a fim de verificar as propriedades mecânicas do macho em função das variáveis da máquina Apresentação e discussão dos resultados A seguir, os resultados encontrados para cada variável da máquina são descritos e também é apresentada a provável causa da dispersão desses valores: 10

11 Pressão de Sopro Os valores da pressão de sopro, para o modelo 'A' são 6,55 ± 0,89 bars. Como os valores reais são extremamente altos se comparados com os ideais, mostrados na revisão teórica, chegou-se a conclusão que a principal causa da dispersão é a sujeira acumulada na câmara de entrada e no filme de resina impregnado nos ventes. Essa obstrução dificulta a passagem da areia pelas portas de sopro e dificulta a saída do ar contido dentro da caixa de macho, respectivamente. Assim, o macheiro é obrigado a aumentar cada vez mais a pressão de sopro para conseguir confeccionar o macho sem nenhuma cavidade ou má compactação. Segundo dados da empresa que fornece a resina utilizada nessa máquina, a limpeza do ferramental é recomendada a cada 16 horas de trabalho, embora a limpeza da caixa de macho não ocorre com essa regularidade. Pressão de Gasagem / Cura A pressão de gasagem, para o modelo 'A' é 8,4 ± 1,78 bars. A dispersão ocorre pela sujeira acumulada na câmara de entrada que obstrui a passagem do catalisador, obrigando o operador a aumentá-la a fim de poder produzir machos sem defeitos. Outra possível causa é um projeto mal feito, pois não possibilita que o catalisador se expanda de forma eficiente em baixas pressões impossibilitando a cura em tempo hábil. A escolha da pressão de gasagem é importante. Essa deve ter valores crescentes, pois quanto menor a pressão inicial, mais rica será a relação catalisador/ar de arraste, aumentando a rapidez de cura. Na seqüência, com o aumento da pressão, mais rapidamente a mistura catalisador/ar é forçada através do macho devido ao volume maior de ar usado, agilizando ainda mais o processo [3]. Pressões de gasagem muito altas podem abrir sulcos no mesmo, o que compromete sua resistência e precisão dimensional. Em compensação, pressões baixas causam um alto consumo de catalisador, pois a amina não é forçada a se expandir dentro do macho, obrigando o operador a elevar o valor de outras variáveis para compensar a deficiência na expansão. 11

12 Tempos de Dosagem Os tempos de dosagem são 0,21 ± 0,05s para o modelo 'A'. A dispersão foi grande, 23,8%, embora não deveria, pois esse valor é calculado com base no peso e complexidade do macho. Sabe-se que se o tempo de dosagem for muito pequeno, não entrará uma quantidade suficiente de catalisador necessário para curar o macho e se o tempo for longo demais, a produtividade será baixa e haverá um alto consumo de catalisador. O consumo ideal, segundo [4], é de 1kg por tonelada de areia curada. Tempos de Gasagem Os tempos são 21 ± 7,4s para o modelo 'A'. Vale a mesma explicação do item anterior. A dispersão foi grande, 35,4%. Se o tempo de gasagem for baixo demais, não haverá tempo suficiente para o catalisador se expandir, curar o macho e na sua retirada as partes não curadas quebrarão. Enquanto isso, tempos de gasagem excessivos reduzem a produtividade. Um fato a se notar é que o tempo de gasagem está diretamente ligado ao projeto da caixa de macho. Caixas bem projetadas que proporcionam uma rápida expansão da amina induzem tempos de gasagem extremamente baixos Teste da influência da pressão de sopro nas propriedades mecânicas dos machos Como foi descrito na revisão teórica, a pressão de sopro afeta as propriedades mecânicas. A fim de verificar a qualidade do macho com a variação da pressão de sopro, testes de resistência à tração e permeabilidade foram realizados utilizando diferentes pressões: 3, 2 e 1 kgf/cm 2. Os resultados são mostrados na tabela abaixo: Tabela 2: Influência da pressão de sopro nas características do macho. Resistência à tração (kgf/cm 2 Permeabilidade (AFS) ) Pressão de Sopro (kgf/cm 2 ) 2 horas 4 horas 6 horas Imediato 2 horas 4 horas 6 horas 3 12,2 11,5 13, , ,5 6, FONTE: do autor, outubro de

13 A pressão de sopro interfere na resistência à tração, de tal forma que, quanto maior a pressão de sopro, maior a resistência à tração. O inverso ocorre com a permeabilidade, quanto maior a pressão, menor a permeabilidade do macho. Com esses testes realizados no laboratório de areias, é possível estimar as propriedades mecânicas do macho produzido na macharia Cold Box e assim avaliar se futuros defeitos na peça fundida podem ter sido causados por uma má escolha do valor da pressão de sopro durante a confecção do macho Conclusão Com a análise das variáveis da máquina, descobriu-se que essas eram constantemente modificadas pelos operadores. Antes de iniciar os trabalhos, tinha-se em mente que os principais motivos de dispersão seriam por: problema de ferramental, problema de projeto da caixa de macho, vontade do operador ou falta de limpeza da caixa de macho. Com o trabalho finalizado, chegou-se a conclusão que o motivo principal de dispersão é pela falta de limpeza das caixas. Assim, o primeiro ato adotado pela empresa foi designar um operário para cuidar da limpeza e reparo das mesmas. Com a pressão de sopro e as outras variáveis da máquina padronizadas, consegue-se produzir machos com propriedades mecânicas sempre boas e com pouca dispersão, já que as variáveis do seu processo de fabricação são mantidas sempre nos mesmos valores. Um fato notável é que depois da padronização, foi possível reduzir a pressão de sopro de um determinado modelo em 42%. Essa redução evita o desgaste excessivo da caixa de macho e também gera uma economia de energia. 13

14 2.2 RESINA NÃO INFLAMÁVEL COLD BOX A atual resina Cold Box é uma resina cujas propriedades mecânicas são excepcionais. Embora existe um fato que deixa a desejar: a resina do fornecedor Ashland é inflamável. Recentemente, essa empresa apresentou uma nova resina, a Isocure I 400 e Isocure II 630 cujas propriedades mecânicas foram testadas Objetivo Avaliar a resistência à tração dos machos produzidos com a resina Isocure I 400 e Isocure II 630 em função do tempo, através da produção de blocos de prova devidamente padronizados em relação às dimensões e à proporção dos seus constituintes. O objetivo é que os blocos de prova possuam valor de resistência à tração entre 10 e 12 kgf/cm 2 de 6 a 24 horas após a sua moldagem Revisão Teórica O processo Cold Box aplicado nas máquinas Vick HV-2 e Bicor é um processo de cura por gasagem. Atualmente, utilizam-se resinas inflamáveis da empresa Ashland. Surgiu a oportunidade de testar outra resina com a propriedade de não ser inflamável, o que proporcionaria aos operados mais segurança durante o trabalho. Essa resina não inflamável é composta por duas partes. A parte 1 chamasse Isocure I 400 e a parte 2 Isocure II 630. Ambas as partes são tóxicas, embora a diferença entre elas é que a parte 1 é uma resina fenólica e a parte 2 é um poliisocianato. Quando se misturam as duas partes da resina, obtém-se uma resina uretânica cujas características são: alta resistência à tração, alta colapsabilidade, alta resistência à umidade e boa fluidez da areia. O processo utiliza um catalisador líquido, que em determinado momento é vaporizado. O catalisador atualmente utilizado é o trietilamina. A relação entre porcentagem de resina e resistência à tração precisa ser descrita para entender o objetivo principal deste trabalho. Uma maneira de explicar é imaginar grãos de areia de formato esféricos envoltos por resina. Se não há resina, somente grãos de areia soltos, nada liga um grão ao outro, portanto a resistência à tração de um bloco de prova será igual a zero. Aumentando a porcentagem de resina, a resistência aumenta um valor ideal, que é o utilizado na prática. Este percentual ideal proporciona uma boa resistência mecânica na hora 14

15 do vazamento e ao mesmo tempo uma resistência relativamente baixa durante a desmoldagem, facilitando-a. Aumentando mais ainda o teor de resina de tal forma que haja 100% de resina, a resistência à tração terá o valor da resistência da própria resina. Essa relação está mostrada no gráfico ilustrativo abaixo. Assim, a melhor forma de alterar a resistência à tração de uma areia de moldagem é através da variação do percentual de resina. Gráfico: Representação da variação da resistência mecânica da resina com a variação de seu percentual. FONTE: do autor, dezembro de Procedimentos Blocos de prova foram feitos com as devidas proporções de resina parte I e II, misturadas no laboratório de areias. Depois, na máquina Bicor, fez-se a gasagem do catalisador. Os blocos de prova foram ensaiados num período de imediato, 2, 4, 6 e 24 horas após a sua fabricação. As proporções dos componentes utilizadas foram: Tabela 3: Proporções de cada um dos componentes utilizados no experimento para fabricação dos blocos de prova. Peso % de Resina Resina Resina parte I e II Areia Óxido de ferro parte 1 parte 2 0,55% 5 Kg 27.5 g 27.5 g 150 g 0,50% 5 Kg 25 g 25 g 150 g 0,45% 5Kg 22,5g 22,5g 150g FONTE: do autor, outubro de

16 Três testes foram feitos, mudando o teor de resina parte I e II, a fim de chegar aos valores estipulados no objetivo Análise e discussão dos resultados Como a resina antiga (inflamável) trabalhava com um percentual de resina de 0,55% para a parte I e 0,55% para a parte II, o primeiro teste com a resina não inflamável foi feito com esse mesmo percentual. Devido ao alto valor das trações de 6 e 24 horas após a cura, maiores que os estipulados, resolveu-se diminuir o percentual de resina para 0,5% de ambas as partes. Com essa redução, a resistência à tração foi mais baixa, mas mesmo assim o resultado foi mais alto que o esperado. Os resultados para os 3 testes realizados são apresentados abaixo. % de Resina 1 e 2 Tabela 4: Tração dos blocos de prova para diferentes porcentagens de resina. Tração dos blocos de prova (kgf/cm 2 ) Imediato 2 horas 4 horas 6 horas 24 horas Vida de Banca 0,55% ,5% ,45% , ,2 16,6 FONTE: Do autor, outubro de Até a conclusão do presente relatório, esse trabalho não foi concluído. Não foi achado um percentual de resina que resulte em uma resistência à tração e permeabilidade nos padrões estipulados no objetivo Conclusão A resina mostrou ser boa, tanto pelo fato de não ser inflamável quanto na questão das boas propriedades mecânicas oferecidas. Através da redução da porcentagem de resina, foi possível diminuir a resistência à tração, já que a porcentagem de resina está diretamente ligada a essa característica. Embora o trabalho não tenha sido concluído, sabe-se que com uma redução ainda maior da porcentagem de resina, será possível chegar aos valores desejados descritos no objetivo. 16

17 2.3 RESINA FURÂNICA A resina Furânica utilizada neste teste foi a Magnaset St 12, catalisada com o catalisador Esses foram fornecidos pela empresa Ashland, que também enviou seus consultores especializados para acompanhar diretamente o teste. A liga utilizada neste teste foi um aço de baixa liga Objetivo O objetivo desse trabalho foi não só acompanhar a introdução dessa resina no processo Fast Loop, mas também analisar quais fatores contribuíram para o resultado final das peças fabricadas durante essa experiência e avaliar seu comportamento perante as propriedades mecânicas dos moldes e machos fabricados. São também apresentadas possíveis melhorias para uma próxima tentativa Revisão Teórica A resina Furânica é uma resina do tipo termofixa, derivada do álcool furfurílico e furfural.trata-se de um líquido viscoso, amarelo, inflamável, tóxico, de odor aromático e penetrante. Uma de suas características são as boas propriedades mecânicas [5], dentre elas: - Dureza Barcol: 40; - Resistência à tração: 5,7x10 5 psi; - Alongamento: 1%; Além disso, a resina possui ph 6,5. Portanto, sua cura é agilizada quando a reação ocorre com um catalisador ácido. A reação de polimerização é espontânea e exotérmica. Nesta, tem-se a água com produto resultante, que rapidamente se vaporiza, podendo causar bolhas de gases no metal fundido. Em baixas temperaturas, o tempo de cura da resina aumenta consideravelmente e insatisfatoriamente, assim a temperatura ideal de cura é de 18,5ºC. A reação entre o catalisador e a resina ambos em altas concentrações geram uma reação exotérmica bastante forte, podendo causar danos ao ferramental e queimaduras graves nos funcionários. O método Barcol [6] é uma forma de avaliar a dureza de um material através da medida da resistência à penetração de uma ponta de aço forçada por uma mola. O resultado é apresentado em uma escala de 0 e

18 Quando se fala em defeitos de fundição, os mais comuns são as trincas a quente, as inclusões de areia, a erosão do molde, o veiamento, o descascamento de tinta, a porosidade, a sinterização da areia e o rechupe. Como no experimento da resina Furânica houve um elevado número de ocorrências de trincas a quente, este tipo de trinca será mais focado no trabalho. O processo de formação de uma trinca a quente pode ser descrito da seguinte maneira: com a entrada do aço líquido o aumento da temperatura expande o molde. Por outro lado, no momento do vazamento o aço que está no estado líquido perde temperatura e começa a se solidificar e a contrair. A contração total pode chegar a 6% do volume inicial para aços comuns ao carbono. Assim, com a contração do aço e a expansão do molde uma interferência é criada. Em altas temperaturas, 1460 a 1500ºC, a resistência à tração do aço é de 0,025 N/mm² e a ductilidade é praticamente nula devido à baixa força de coesão entre os átomos [7]. Se o molde ou o macho tiverem uma baixa colapsabilidade e uma resistência a quente alta o suficiente para restringir a contração do aço levemente solidificado, uma região de tensão será criada e nela o aço trincará. Se o molde for colapsível para se ceder (1/8 mm já é o suficiente para determinadas seções) e aliviar essa tensão, a trinca não ocorrerá. Lembrando que colapsabilidade é a capacidade que o molde ou macho tem de se deformar quando submetido a uma tensão e que a resistência a quente é a resistência à tração de um molde ou macho a elevadas temperaturas Procedimentos Cerca de 50 moldes foram fabricados com a resina Furânica. Esses foram vazados cerca de horas após sua moldagem. Dois modelos principais e críticos, Cruzeta e Fase 4, foram acompanhados de perto desde a moldagem o ensaio de partículas magnéticas e escarfagem Apresentação e discussão dos resultados As peças fabricadas com a resina Furânica apresentaram um baixo nível de qualidade. O índice de solda, medido em kg de eletrodos por toneladas de peças produzidas, foi elevado em comparação com a resina atual (Pep-set). O grande consumo de eletrodos se deve ao considerável número de defeitos de trincas e inclusões de areia. Um fato curioso foi que as trincas ocorridas são em regiões onde não é comum, perto da nervuras por exemplo, como mostrado na figura 1. 18

19 Figura 1 Trincas a quente no modelo Fase 4 perto das nervuras. Todos os riscos amarelos são trincas. FONTE: Do autor, outubro de Analisando os principais fatores que poderiam levar ao alto índice de trincas a quente, os mais importantes são: colapsabilidade insuficiente, resistência à contração elevada dos moldes e machos, índices de fosforetos e sulfetos fora dos valores aconselhados, alta resistência a quente da mistura areia/resina e altas temperaturas de vazamento. Primeiramente, uma baixa colapsabilidade pode evitar o aparecimento de trincas a quente, pois se a tensão que é criada pela expansão do molde e contração do metal for anulada pela colapsabilidade, a trinca a quente não ocorrerá. Colapsabilidade é uma característica intrínseca à areia de moldagem. Uma possibilidade de melhorar essa característica é com a introdução de óxido de ferro ou outros aditivos que propiciem a areia ceder quando tensionada. Segundo [7], a ordem crescente de resistência à contração e susceptibilidade às trincas a quente para seções menores que 30 mm são: areia verde (Green Sand), areia seca (Dry Sand), areia com ligantes a base de Silicato de Sódio (Sodium Silicate bonded), areia com processo Shell, areia ligada a base de óleo (Oil Sand), areia ligada com resina Pep-Set e areia ligada com resina Furânica. Como se pode ver a resina Furânica é a resina que é mais susceptível a ocorrer trincas a quente pelo fato de que essa resina possui uma elevada resistência à contração, o que faz sentido quando comparado com os resultados apresentados. Em relação à composição química, não há indícios de que teores de sulfetos, fosforetos e inclusões estão fora dos valores aceitáveis para os aços de baixa liga, estipulados pelo setor de engenharia. Controlar cuidadosamente os teores de Enxofre, Fósforo, Boro e 19

20 Nióbio [8] é uma forma de evitar problemas com trincas a quente (ou trincas de solidificação). Este fator não foi crucial para a baixa qualidade das peças fabricadas com a resina. Quando analisado a elevada resistência a quente, sua principal causa foi o elevado porcentual de resina utilizada: 1,2%. Segundo dados de resistência à tração na hora do vazamento, os moldes tiveram uma média de 19 kgf/cm 2. A dureza da areia de faceamento teve uma média de 89 AFS. Diminuindo o teor de resina, 0,8% por exemplo, a resistência à tração dos blocos de prova feitos em laboratório caiu para uma média de 14 kgf/cm 2, o que possivelmente geraria um valor bem inferior de resistência a quente quando comparado com o valor obtido com 1,2% de resina. Como o teste de resistência a quente não é realizado na empresa, os dados não foram coletados. Em relação à temperatura de vazamento, baixas temperaturas de vazamento reduzem o índice de trincas a quente porque promovem um menor gradiente térmico no metal e ao mesmo tempo diminuem a intensidade dos hot spot [7]. Observando a temperatura de vazamento, nota-se que elas estão todas entre as faixas especificadas pelo setor de projetos. Assume-se assim que não foi a temperatura de vazamento não foi a causa principal das trincas a quente Conclusão e Recomendações No teste com a resina Furânica, houve um alto índice de trincas a quente, geradas quando o metal em contração encontra uma barreira que o impede de contrair. Essa barreira é geralmente o macho ou o molde de alta resistência a quente e baixa colapsabilidade. Com o término do trabalho, conclui-se que os fatores que contribuíram pelo baixo nível de qualidade das peças fabricadas com a resina Furânica para o aço de baixa liga foram: alta resistência a quente, alta resistência à contração e baixa colapsabilidade. A redução do teor de resina é um ato indispensável para introduzi-la na fábrica, já que reduziria a elevada resistência a quente e assim evitaria a ocorrência desse tipo de trincas. Em relação à baixa colapsabilidade, pode-se tentar a introdução de aditivos na areia de moldagem. 20

21 3 CONCLUSÃO O processo de fundição é um processo antigo, mas que mesmo assim ainda está em constante avanço. Através dos trabalhos realizados foi possível notar que as áreas de moldagem e macharia são extremamente complexas e que pequenas mudanças, não apenas no processo em si, mas também na cabeça dos operários podem melhorar a qualidade do produto final. Além dos conhecimentos teóricos ganhos sobre a área de fundição, este estágio também serviu para vivenciar a realidade de uma empresa, uma experiência nova, muito proveitosa, que agregou novos valores ao estagiário. 21

22 4 REFERÊNCIAS [1] STEIL, Marcelo de Brito. Processo de Fundição. Blumenau: SENAI SC Blumenau, [2] CORRÊA, Clélio José; VALERIANO FILHO, José Paulo; KNEZEVIC, Milan. Cold Box para alumínio. São Paulo: Sem editora, [3] Ashland Castings Solutions Programa de treinamento, processo de caixa fria Isocure Tradução e Revisão: Pier Giovanni Ceccarelli, Luís Sérgio Borba e Alessandra Santos, [4] CAREY, Paul; ARCHIBALD, Jim. Sand Binder Systems Part X The Phenolic Urethane Amine Cold Box System. Foundry Management & Technology. Columbus, p [5] Disponível em < Acesso em 5.out [6] Disponível em < Acesso em 16.out [7] Hot Tearing~ causes and cures, Technical Bulletin NO.1, Castings Technology International. [8] FINARDI, Jorge. Trincas de solidificação em aços fundidos: causas e soluções

23 5 ANEXOS ANEXO 1 - Histórico da empresa A Electro Aço Altona foi fundada em 1924 pelo engenheiro alemão Richard Paul Werner com o nome de Auerbach & Werner. Nesta época eram apenas produzidos utensílios como panelas, máquinas de moer carne e sinos. Em 1933 adotou-se o atual nome. Em 1948 e 1958 dois fornos a arco foram adquiridos, cada um com capacidade de 2.300kg. No ano de 1972 foi instalado o departamento de usinagem, o que possibilitou o fornecimento de peças já beneficiadas. Com a instalação do primeiro forno elétrico a indução, em 1984, aumentou-se a variabilidade de ligas produzidas. Atualmente a Electro Aço Altona tem capacidade para produzir mensalmente, dentre peças brutas, usinadas e acabadas, toneladas nas mais variadas ligas, como aços ao carbono, resistentes a corrosão, abrasão, altas temperaturas, ferros ligados e ligas especiais. A empresa atende a setores de mineração, hidrogeração, termogeração, dragagem, indústria química, naval e offshore, e mais recentemente entrou também para o ramo de produção de energia nuclear. ANEXO 2 Nomenclatura das partes de uma caixa de macho Neste relatório foi apresentado com detalhes o processo Cold Box. Como o ferramental é complexo, a figura abaixo nomeia os componentes de uma caixa de macho facilitando a compreensão do relatório. Figura 2: Nomenclatura dos componentes de uma caixa de macho. FONTE: Ashland Castings Solutions Programa de treinamento, processo de caixa fria Isocure Tradução e Revisão: Pier Giovanni Ceccarelli, Luís Sérgio Borba e Alessandra Santos, [3] 23

24 Caixas de macho da macharia Cold Box: Figura 3: Caixas de macho Vick HV-2. FONTE: Do autor, dezembro de Figura 4: Caixa de macho Bicor. FONTE: Do autor, dezembro de ANEXO 3 Modelos de estudo Os modelos estudos neste relatório são os modelos: , , , , e

25 ANEXO 4 Cronograma Atividades Integração Contabilidade Padronização Macharia Resina Furânica Visita UFSC Resina Cold Box Não Inflamável Ensaio de tração - Máq. Bicor Permeabilidade Blocos de prova Acompanhamento Barril Relatório de Estágio Acompanhamento Cruzeta Estágio Supervisonado 1 Semana 1ª 2ª 3ª 4ª 5ª 6ª 7ª 8ª 9ª 10ª 11ª 12ª 13ª 14ª 15ª 09/09 12/09 14/09 18/09 21/09 25/09 28/09 02/10 05/10 09/10 12/10 16/10 19/10 23/10 26/10 30/10 02/11 06/11 09/11 13/11 16/11 20/11 23/11 27/11 30/11 04/12 07/12 11/12 14/12 18/12 25