AREIA VERDE E AREIA LIGADA QUIMICAMENTE

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1 AREIA VERDE E AREIA LIGADA QUIMICAMENTE Pós-graduação: ENGENHARIA DE FUNDIÇÃO 2009 Claudio Luiz Mariotto

2 Principais materiais e processos de moldagem / macharia Material base areia ou outro agregado usinável aglomerado com Gênero de ligante adesivo de contato ligantes químicos outros sem aglomerante Tipo de ligante Requisitos para a aglomeração Alguns processos argilas (bentonitas) óleos secativos resinas silicato de sódio cimento portland cerâmicos, gesso metal (aço ou ferro fundido) grafita aglomeração ativada por compactação reação química ativada por calor reação química à temperatura ambiente auto-curáveis passagem de gás auto-curáveis modelo permanente modelo evaporável moldagem a verde moldagem a seco macharia areia-óleo moldagem/macharia shell macharia hot-box macharia warm-box cura-a-frio furânica / ácido cura-a-frio fenólica / ácido cura-a-frio uretânica cura-a-frio resol-éster macharia cold-box processo SO 2 processo CO 2 cura-a-frio silicato-éster moldagem em areia-cimento microfusão (fundição de precisão) moldagem a vácuo: processo V moldagem lost foam fundição em coquilha processo Griffin Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 2

3 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 / ( soltos automatizar a moldagem com modelos

4 Areia verde 1. Conceito de (moldagem com) areia verde Atributos, características das areias verdes 2. Componentes da mistura e sua caracterização Areia base ( bentonita ) Argila Aglomeração: o trinômio areia / argila / água Aditivos ( moldagem Compactação (métodos de 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 Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 4

5 Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 5

6 Requisitos da areia de moldagem ( Moldabilidade ) Durante a moldagem Escoabilidade (fluxibilidade) adensar sobre o modelo Consistência retenção da forma Plasticidade extração do modelo Durante e após o vazamento Permeabilidade a ar, gases e vapores Estabilidade dimensional no aquecimento Difusividade térmica Propriedades a quente: plasticidade, resistência Desmoldabilidade Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 6

7 Durante a moldagem: Moldabilidade Para gerar bons moldes, a areia de moldagem deve ser capaz de reproduzir fielmente as formas do modelo ( fluxibilidade ) Escoabilidade 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 Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 7

8 Durante e após o vazamento Permeabilidade Permite escape de ar, gases e vapores depende do tamanho médio e distribuição dos vazios intergranulares do molde / macho Estabilidade térmica dimensional Outros constituintes da areia devem Difusividade térmica compensar a expansão dos grãos de areia base conferir plasticidade a alta temperatura Determina o esfriamento da peça fundida; é função de condutividade térmica capacidade térmica densidade Resistência mecânica a altas temperaturas É importante que seja transitória; sua diminuição com o tempo define a característica de colapsibilidade Desmoldabilidade Facilidade 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 Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 8

9 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 Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 9

10 Uma areia verde nova é constituída de areia base ( quartzo ) mais comum: de sílica argila mais comum: bentonita água H 2 O + substâncias dissolvidas e em suspensão aditivos pó-de-carvão, pó-de-madeira, amido etc. A preparação da mistura é por muitos considerada como um quinto constituinte Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 10

11 Constituição de uma areia nova 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% Umidade Argila ativa (Azul de Metileno) Carbonáceos (na argila AFS) Sílica 30% 20% 10% 0% Nova Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 11

12 A areia na fundição água e aditivos contêm ( ânions sais (cátions e calor do metal líquido decompõe parcialmente argila e aditivos na desmoldagem, os machos incorporam-se parcialmente à areia de moldagem na recirculação, H 2 O evapora mas os sais dissolvidos permanecem Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 12

13 Variações de densidade em uma areia verde camada úmida de finos ativos ~ 1,8 g/cm 3 camadas de argila inerte fixadas aos grãos ~ 1,8 g/cm 3 SiO 2 2,65 g/cm 3 SiO 2 2,65 g/cm 3 grãos novos densidade média ~ 2,50 g/cm 3 grãos oolitizados grãos pouco oolitizados: 2,2 a 2,3 g/cm 3 grãos muito oolitizados: ~ 2,0 g/cm 3 Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 13

14 Constituição de 3 areias de sistema 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% Umidade Argila ativa (Azul de Metileno) Carbonáceos (na argila AFS) Finos inertes (argila e cinzas) Metálicos Oolíticos Sílica 20% 10% 0% Forte tendência a expansão alta densidade real Peças boas Rugosidade excessiva baixa densidade real Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 14

15 Areia base As areias de sílica (quartzo) são as mais abundantes e baratas Por isso são as selecionadas na quase totalidade dos casos Outras areias (menos) usadas: cromita, zirconita, olivina, chamote... Algumas características comparadas Areia de Densidade Ponto de fusão Expansão térmica Sílica (quartzo) 2, C alta Cromita 4,5 >2.000 C baixa Zirconita 4, C baixa Olivina ~3,3 ~1.800 C moderada Além de alta, a expansão térmica do quartzo é repentina é quase toda devida à transformação reversível quartzo α quartzo β que ocorre a 573 C Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 15

16 Areias de sílica Composição básica mineralógica: quartzo química: quase 100% SiO 2 Impurezas comuns ( 2 feldspatos: (K 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 ou Na 2 O.Al 2 O 3.6SiO argilas (Al 2 O 3.4SiO 2.2H 2 O), óxidos de ferro (Fe 2 O 3.xH 2 O), rutilo (TiO 2 ), outras, conforme a procedência. Reações com o ferro não reage com o ferro metálico; ( C com óxidos de ferro forma silicato (faialita, funde a < Implicações higiênicas ( sílica Silicose: moléstia do pulmão (por inalação de pó de efeito cumulativo, irreversível Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 16

17 Análise granulométrica Séries de peneiras AFS 3,36 1,68 0,84 0,59 0,42 0,30 0,21 0,15 0,105 0,074 0,053 0,020 DIN 1,4 1,0 0,71 0,50 0,355 0,250 0,180 0,125 0,090 0,063 0,020 BS 1,676 1,003 0,699 0,500 0,353 0,251 0,211 0,152 0,104 0,076 0,053 0,020 Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 17

18 Relações entre aberturas série AFS mm consecutiva 2ª peneira 3ª peneira 4ª peneira 3,36 1,68 2,00 0,84 2,00 4,00 0,59 1,42 2,85 5,69 0,42 1,40 2,00 4,00 8,00 0,30 1,40 1,97 2,80 5,60 0,21 1,43 2,00 2,81 4,00 0,15 1,40 2,00 2,80 3,93 0,105 1,43 2,00 2,86 4,00 0,074 1,42 2,03 2,84 4,05 0,053 1,40 1,98 2,83 3,96 Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 18

19 Empilhamento de grãos maior esfera que cabe num interstício de esferas com = D D / 4,4 adicionando grãos d 1 D / 4,4 densidade do empilhamento aumenta adicionando grãos D > d 1 > D / 4,4 densidade do empilhamento diminui densidade volume de vazios densidade volume de vazios % de esferas com d 1 D / 4, % de esferas com D > d 1 > D / 4,4 Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 19

20 Características geométricas d i + d i-1 d mi = 2 ρ = 2,65 mm m i s i, cm 2 /g n i, unid./g % ret % acum 3, ,68 5 9,0 0, , ,0 0, , ,7 0,197 0,23 0,23 0, ,8 0,560 3,51 3,74 0, ,9 1,545 18,12 21,86 0, ,8 4,346 34,48 56,34 0, ,8 12,36 30,45 86,79 0, ,6 34,77 10,76 97,55 0, ,0 100,53 1,92 99,47 0, ,6 281,47 0,12 99,59 0, ,3 1482,1 0,08 99,67 n i = s i = π. d 3 mi.ρ 80 π. d 2 mi % retida 70 % acumulada 60 (π/6). d 3 mi. ρ ,1 abertura da peneira, mm 0,01 Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 20 % retida ou acumulada

21 Características geométricas Área específica real S R Área específica teórica Tamanho de grão: média geométrica Coeficiente de angularidade Módulo de finura Número específico teórico dos grãos Diâmetro representativo Área específica representativa Divergência da distribuição S T TG CA M N d r r S T D r (gi s i) g ( gi di d gi S S R T i (i 1) (gi m i) g (gi n i) g ST 10 N π 22,6414 d r (S 100 r T i i S S r T T ) ) Soma das áreas superficiais de todas as partículas contidas na unidade de massa da amostra, expressa em cm 2 /g; calculada a partir de uma medida em um permeâmetro (Blaine) Média ponderada, expressa em cm 2 /g, das áreas superficiais de cada fração granulométrica da amostra, calculadas supondo grãos esféricos de massa Média ponderada dos tamanhos de grãos utilizando as médias geométricas das aberturas das pen eiras que definem cada fração 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 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 de grãos contidos na unidade de massa supondo idêntica distribuição e grãos esféricos Diâmetro correspondente à média geométrica ponderada calculada à partir da distribuição granulométrica, supondo os grãos esféricos Área específica teórica da amostra de grãos esféricos com diâmetro d r (representativo) 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 d r Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 21

22 Forma dos grãos 50 X Areia de Descalvado 200 X Grãos Coeficiente de angularidade Arredondados < 1,25 Sub-angulares ~ 1,50 Angulares > 1,65 maior número de contatos (em areias angulares) menor escoabilidade Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 22

23 Características geométricas Propriedades Permeabilidade Escoabilidade Difusividade térmica aumenta com o tamanho médio dos grãos para iguais tamanhos médios, aumenta com a concentração da distribuição forma dos grãos: efeito pequeno, pois a variação de área específica tende a ser compensada pela variação da 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 em areias verdes, convecção é importante; por isso, a difusividade é favorecida por alta permeabilidade Estabilidade térmica dimensional é 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 Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 23

24 300 Correlações 250 Permeabilidade Base X Áreas específicas e Módulo Área específica teórica e real, cm2 / g S R = 2183,8 / P 0,6019 R2 = 0,955 S T = 1559,8 / P 0,6048 R2 = 0,9759 ( Paulo (12 areias-base do Estado de São 50 0 M = 702,26 / P 0,5488 R2 = 0, Permeabilidade base, P, cm4 / g. min Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 24

25 Pureza Areias-base para aços Temperatura de vazamento ~ 1600 C; baixos teores de C; teores apreciáveis de Mn, Cr... alta suscetibilidade ( gases à oxidação no estado líquido; alguns óxidos reagem com SiO 2 reações metal-molde ( escória, 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% SiO 2 ou mais) e, na prática, não se usam areias de quartzo com menos de 99,5% SiO 2 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 finura Tamanho médio de grão grande alta permeabilidade, aquecimento lento (melhor estabilidade térmica e maior ( aparente refratariedade 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 ( refratária mais fina e/ou pintura Distribuição granulométrica ( consecutivas Deve ser espalhada: pelo menos 3, preferivelmente, 4 peneiras (consenso: 90% em 4 peneiras A forma dos grãos sub-angular (evita as altas densidades de empilhamento que são características de grãos arredondados ou excessivamente angulares O aquecimento intenso e brusco exige areia-base com grãos íntegros (sem trincas ou descontinuidades) Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 25

26 Pureza Areias-base para ferros fundidos Areias com mínimo de 99% SiO 2 são comumente usadas para a fundição de ferros fundidos. Para peças pequenas podem ser aceitas areias menos puras (mínimo de 95% SiO 2, desde que as impurezas não sejam constituídas principalmente por álcalis. Módulo de finura Não 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 vidro Os 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 granulométrica Geralmente 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. Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 26

27 ( latões Areias-base para ligas de cobre (bronzes e 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 , 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 ( permeabilidade concentradas (para não prejudicar a 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 ( pequenas módulos de finura - na faixa entre 60 e 70 (podendo chegar e 90 para peças 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 areiabase podem ser assemelhadas aos ferros fundidos ou aos aços, de acordo com as temperaturas de vazamento adotadas em cada caso Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 27

28 Areias-base para ligas de alumínio ( 760 C Temperaturas de vazamento moderadas (em geral abaixo de Densidade baixa (resulta baixas relações metal : areia, de modo que a solicitação térmica imposta aos moldes ( vazamento é ainda mais baixa que a sugerida pela temperatura de Quantidade de calor transmitida aos moldes por radiação quase desprezível (defeitos devidos à expansão ( inferior térmica ficam restritos às áreas em que o metal flui sobre a meia-caixa 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 ( peças pequenos para evitar rugosidade superficial excessiva nas 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 ( concentradas permeabilidade só alcançada com distribuições forma dos grãos - podem-se usar grãos angulares, principalmente nos casos em que a pressão de compactação dos moldes for moderada Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 28

29 Areias-base para ligas de magnésio Extremamente 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 ( grãos devem ser arredondados ou sub-angular (para limitar área superficial total dos Areia verde, constituintes, requisitos; areia-base 29