4. AREIA - BASE Constituição mineralógica - tipos mais usados de areias-base

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1 4. AREIA - BASE As considerações feitas nos capítulos anteriores sugerem que o estudo das areias-base deva incluir os efeitos da sua constituição mineralógica e dos seus aspectos geométricos sobre as características básicas das areias de moldagem e dos moldes e sobre o comportamento destes na fundição Constituição mineralógica - tipos mais usados de areias-base A constituição mineralógica é um fator importante no estudo das areias-base porque todas as características que determinam o comportamento dos moldes a temperaturas elevadas dependem em larga medida do tipo de mineral que as constitui. É interessante ressaltar que a análise química da areia-base, embora traga informações úteis, não fornece uma indicação direta da composição mineralógica e não permite, portanto, que se tirem conclusões definitivas quanto a refratariedade, expansibilidade térmica, difusividade térmica e comportamento químico da areia em relação ao metal fundido. Do ponto de vista mineralógico, as areias-base mais usadas nas fundições são as de quartzo (sílica) seguidas pelas de cromita, as de zirconita e as de olivina. A figura 4.1 mostra o andamento da expansão por choque térmico para esses e outros minerais empregados como areia-base em fundição, assim como as respectivas temperaturas de fusão. a) Areia de sílica Sendo o silício o elemento mais abundante na crosta terrestre, não é de admirar que as areias mais comuns sejam as de sílica. As areias em geral, as de sílica em particular, provêm da desagregação de rochas, principalmente pelo intemperismo. Os grãos de areia representam as partículas maiores liberadas por essa desagregação. A constituição da rocha original, o tipo de intemperismo sofrido até a formação do depósito de areia e as presente (condições climáticas, por exemplo), são fatores que determinam a constituição da areia, a sua pureza e as características de seus grãos. Em nosso País, há abundância areias de sílica bastante puras, ainda que em depósitos relativamente afastados dos locais de utilização. Com os altos custos de transportes vigentes, é urgente a necessidade de um cadastramento dos depósitos existentes, através de um levantamento sistemático da qualidade das areias disponíveis. Fig. 4.1 Curvas de expansão, por choque térmico a 1000 C, de várias areias. As temperaturas de fusão estão indicadas entre parênteses junto a cada curva. No Estado de São Paulo, muitas das areias-base de sílica provém, hoje, do centro do Estado, particularmente do ângulo formado entre a Araraquarense e a Sorocabana (areias "de rio", com depósitos localizados próximos a Itapetininga, Rio Claro, Descalvado, São Pedro etc), mas ainda se encontram ativas muitas lavras de areia do litoral sul (areias de praia com depósitos principalmente 15

2 nas proximidades de Samaritá e Peruibe). Em qualquer dos casos, as areias comercializadas são de elevada pureza podem ser aplicadas à fundição de ligas de alto ponto de fusão, desde que adequadamente lavadas (as do litoral, para remoção principalmente de sais e matéria orgânica e as do interior, para redução dos teores de óxido de ferro e de argila). As areias de sílica são constituídas quase exclusivamente por quartzo, cuja densidade é 2,65 e cujo ponto de fusão é de 1726 C. As impurezas presentes variam com a procedência da areia, predominando feldspatos (K 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 ), argilas, óxidos de ferro (como limonita, por exemplo), rutilo (TiO 2 ), etc. A maioria dos depósitos de areia explorados comercialmente no Estado de S.Paulo permite obtenção de sílica praticamente pura com uma operação simples de lavagem para remoção de sais (areias de litoral) ou argila (areias do interior). Essa evidência, embora não conclusiva, parece mostrar que as preocupações com a refratariedade no caso das areias de sílica paulistas, podem ser totalmente afastadas sendo altamente improvável a ocorrência de defeitos de penetração devidos a refratariedade insuficiente, mesmo no caso de fundição de aço. Se esses defeitos ocorrerem, a primeira suspeita, depois de afastados os motivos mais óbvios como mau socamento e tamanho de grão excessivamente grande, deve recair sobre possíveis reações metal-molde. Alguns metais reagem com a sílica a altas temperaturas (o magnésio é um deles). O ferro não reage com a sílica a não ser quando oxidado; se este for o caso, à reação pode se seguir uma penetração bastante intensa. É que o óxido de ferro escorifica a sílica formando um silicato de ferro de baixo ponto de fusão (v. figura 4.2) e facilitando a penetração do metal líquido. Certos elementos de liga presentes no ferro também podem apresentar a mesma tendência de oxidação e reação com a sílica. Em alguns casos essa tendência é tão pronunciada, que a utilização de areias de sílica é desaconselhada. mas a maioria dos problemas de penetração devida a reação pode ser resolvida adotando-se procedimentos metalúrgicos corretos e evitando-se a reoxidação do metal durante o preenchimento do molde. A figura 4.3 esquematiza o mecanismo de absorção de ar pelo metal que escoa pelos canais do molde. Quando aquecido, o quartzo α, que é a variedade alotrópica da sílica estável à temperatura ambiente, expande-se mais ou menos uniformemente até 573 C, quando ocorre a transformação reversível do quartzo α em quartzo β (inversão do quartzo). Essa transformação é acompanhada de uma expansão repentina, mas, prosseguindo o aquecimento, o quartzo β contrai ligeiramente. Acima de 867 C pode formar-se a tridimita que é estável até 1470 C. A cristobalita é estável entre 1470 C e o seu ponto de fusão a C. Entretanto, as transformações quartzo β tridimita e tridimita cristobalita não ocorrem facilmente e é possível ter-se quartzo aquecido acima de 867 C por horas ou dias, inalterado ou apenas parcialmente transformado em tridimita ou cristobalita. Inversamente, pode-se ter tridimita ou cristobalita preservadas indefinidamente à temperatura ambiente. A sílica fundida não cristaliza imediatamente: pelo contrário, a cristalização da sílica a partir do líquido é muito lenta. Assim, é muito fácil esfriar a sílica fundida de modo a obter-se um vidro (sólido não-cristalino), denominado sílica vítrea, estável indefinidamente à temperatura ambiente e que 16 Fig. 4.2 Diagrama de equilíbrio SiO 2 -FeO. Fig. 4.3 O ar é aspirado pelo fluxo de metal nas zonas de baixa pressão.

3 apresenta um coeficiente de expansão térmica muito pequeno em todas as temperaturas. Como nos moldes de fundição apenas uma pequena parcela da areia é aquecida de cada vez a temperaturas superiores a 867 C, e o tempo de permanência a temperaturas altas é relativamente curto, apenas uma quantidade desprezível de grãos de areia tem possibilidade de transformar-se em tridimita e/ou cristobalita. Para efeitos práticos, portanto, apenas a inversão α β do quartzo, que ocorre a 573 C, deve ser responsabilizada pelos fenômenos de expansão térmica observados em moldes de fundição e causadores de defeitos tais como descascamentos, rabos-de-rato, veiamento etc. Essa expansão é bastante pronunciada, como mostra a figura 4.1, e constitui-se na maior desvantagem do uso de sílica como areia-base. Uma outra desvantagem do uso de sílica como areia-base é de ordem higiênica: a presença de partículas muito finas de sílica, principalmente as menores de 10µm, traz o perigo da silicose. A silicose é uma moléstia do pulmão causada pela prolongada inalação de pó de sílica. Ela raramente se manifesta com menos de dois anos de exposição a ar contendo pelo menos de partículas de sílica por pé cúbico. As alterações causadas no pulmão pela doença não são curáveis e, em grande parte dos casos, sobrevém uma tuberculose quase sempre de caráter severo, que freqüentemente é fatal. A prevenção da silicose é, portanto, uma necessidade imperiosa, que requer instalações eficientes de exaustão e captação de poeiras nos pontos onde elas são geradas e uso de máscaras respiratórias por pessoas que devam permanecer junto a esses pontos. Resumindo, as são três as desvantagens do uso de sílica como areia-base, que às vezes impõem a sua substituição por outros minerais: sua elevada expansão térmica, sua reatividade com alguns metais e ligas e o perigo de silicose. b) Areia de zirconita A zirconita é um silicato de zircônio, ZrO 2.SiO 2. O mineral puro (estequiométrico) contém 67,2% de óxido de zircônio e 32,8% de óxido de silício. Seu ponto de fusão é de 2550 C e sua densidade 4,7. A zirconita ocorre em areias de praia em varias partes do mundo e em particular na Austrália, nos Estados Unidos, na Índia e no Brasil. Em nosso País, a zirconita ocorre em praias do Estado do Espírito Santo (Guarapari), associada à monazita, que é um minério de tório, e é exportada misturada a um outro minério de zircônio, a badeleita. Devido à sua alta dureza e a inexistência de planos de clivagem, boa parte dos grãos da areia de zirconita guarda a forma do cristal original. Além de ser mais refratária que a sílica, a zirconita apresenta um coeficiente de expansibilidade térmica muito pequeno (a expansão de 20 a 1000 C é a sexta parte da observada para a sílica) e é menos reativa com vários metais líquidos, particularmente com o ferro. Pelo fato de não ocorrer de forma generalizada sobre a crosta terrestre como a sílica, os custos da areia de zirconita são, em geral, onerados por altos custos de transporte, fazendo com que os preços por tonelada da areia de zirconita sejam varias vezes superiores aos da areia de sílica. E é preciso que se leve em conta, ainda, que para preencher o mesmo volume de um molde é necessário que se empregue uma quantidade em peso de zirconita correspondente a quase o dobro da sílica necessária. c) Areia de cromita O emprego de cromita como areia-base em fundições, principalmente em fundições de aço, é relativamente recente, mas sua utilidade como refratário para fornos já é reconhecida e aprovada de longa data. Essa utilidade baseia-se no alto ponto de fusão (cerca de 2180 C), expansão térmica moderada, estabilidade da forma cristalina a temperaturas elevadas e comportamento químico neutro. O mineral cromita, FeO.Cr 2 O 3, que contém 68% de Cr 2 O 3, raramente ocorre isolado e os minérios de cromo conhecidos como cromitas são, na realidade, soluções sólidas de vários espinélios, entre os quais a cromita (FeO.Cr 2 O 3 ), picrocromita (MgO.Cr 2 O 3 ) e espinélio (MgO.A1 2 O 3 ), associadas a uma ganga constituída de serpentina, olivina, quartzo e piroxênios. 17

4 A faixa de composições de cromitas normalmente aceita para aplicações em refratários é: Cr 2 O 3 : 38 a 48%; A1 2 O 3 : 12 a 24%; Fe 2 O 3 : 14 a 24%; MgO: 14 a 18%; SiO 2 : 10% máximo A densidade varia com a composição entre 4 e 4,6. A areia de cromita é obtida da britagem e classificação granulométrica do minério. A maior parte da areia de cromita usada como areia-base para moldagem em todo o mundo ocidental é suprida pelas jazidas da África meridional. O Estado da Bahia possui importantes reservas de cromita. Para uso em fundição, a cromita não pode ter ganga em excesso, porque os minerais hidratados, como a serpentina, liberam água a altas temperaturas. Recomenda-se, por isso, que a perda ao fogo da cromita não ultrapasse o valor de 0,5%, caso contrário podem-se esperar defeitos devidos a gás nas peças fundidas. O ensaio de perda ao fogo, neste caso, deve ser feito em atmosfera não-oxidante, para que não se observe ganho ao invés de perda. As cromitas mais empregadas em fundição (procedentes da África) caem na seguinte faixa de composição: Cr 2 O 3 : 45 a 50%; A1 2 O 3 : 11 a 16%; Fe 2 O 3 : 20 a 26%; MgO: 10 a 15%; SiO 2 : 3% máximo d) Areia de olivina A olivina é um mineral constituído essencialmente por ortossilicato de magnésio e ferro. As variedades mais comuns têm coloração verde-oliva, donde decorre a sua denominação. Além de magnésio e ferro, a olivina comum contém pequenas quantidades de manganês, cálcio e mais raramente zinco e chumbo. As areias usadas em fundição são constituídas por uma solução sólida de cerca de 90% de forsterita (Mg 2 SiO 4 ) e 10% de faialita (Fe 2 SiO 4 ), com ponto de fusão próximo dos 1800 C e densidade entre 3,25 e 3,4. A expansão térmica da olivina por aquecimento de 20 a 1000 C é cerca de 30% menor que a da sílica. Trata-se, entretanto, de um mineral frágil, que se rompe ao longo de dois indistintos planos de clivagem. Os possíveis produtos de alteração da olivina incluem a serpentina, a clorita ou anfibólios e certos óxidos de ferro, anidros ou hidratados; por intemperismo, o mineral pode se alterar de modo a formar carbonatos ou óxidos de ferro e sílica. Algumas especificações recomendam um teor mínimo de 80% de 2MgO.SiO 2, perda ao fogo máxima 1,35% e umidade máxima 1%. A olivina tem sido usada em vários países na fundição de aço ao manganês e algumas poucas outras aplicações especiais onde se necessite expansão mais moderada que a da sílica e menor reatividade com certas ligas fundidas. Algumas fundições escandinavas, no entanto, usam exclusivamente olivina como areia-base por razões de higiene principalmente, já que a poeira de olivina não apresenta problema de pneumoconiose (do tipo silicose). Existem no Brasil ocorrências de olivinas, aparentemente com características satisfatórias para serem aplica das em areias de moldagem aglomeradas com argilas. e) Outros tipos de areia-base Em menor proporção que os tipos anteriores, têm sido usados como areias-base materiais como chamote, coque e outros. A baixa expansibilidade da chamote faz desse material uma alternativa interessante para a sílica, quando se trata de fundir grandes peças em aço ou em ferro fundido Pode ser obtida da calcinação de certas argilas a altas temperaturas de modo a formar blocos sinterizados, que depois são britados e 18

5 classificados. A mesma designação é usada pa ra misturas de refratários granulados obtidas da britagem de cadinhos e tijolos refratários. O emprego de areias de chamote diminui consideravelmente o risco de ocorrência de defeitos devidos à expansão, mas o seu emprego como areia-base no Brasil é, quando muito, esporádico. Para que suas propriedades refratárias não sejam afetadas, a areia de chamote deve ser aglomerada com uma argila compatível (argila refratária), de modo que uma não atue como fluxante da outra a altas temperaturas. Do ponto de vista de difusividade térmica, as areias de chamote deixam a desejar, devido à baixa densidade e à baixa condutividade dos grãos. Seu ponto de fusão é variável, dependendo da origem e do modo de preparo, mas as boas areias de chamote praticamente se equiparam à sílica nesse aspecto. Um outro material cuja utilização como areia-base recebeu alguma consideração é o carbono. De fato, suas propriedades refratárias, sua baixa expansão, o fato de não ser molhado por metais líquidos e a sua baixa reatividade, fazem do carbono, talvez, o mais adequado de todos os materiais para uso como areia-base, desde que se possa evitar o seu contato com oxigênio a altas temperaturas. Os materiais experimentados até o momento parecem ser coques fabricados a partir de carvões selecionados. Os resultados obtidos são excelentes em vários aspectos: os de feitos de expansão são praticamente eliminados, a difusividade térmica é alta e a compatibilidade com diversos aglomerantes parece ser plenamente satisfatória. Mas a presença de mais de 5% de enxofre nessa areia causou várias dificuldades As características geométricas dos grãos de areia Por características geométricas dos grãos de areia entendem-se principalmente o tamanho médio dos grãos, a distribuição granulométrica e a forma dos grãos; (algumas fundições estabelecem restrições também quanto à textura dos grãos). O tamanho médio dos grãos e obtido a partir da distribuição granulométrica e corresponde à média ponderada dos tamanhos observados. Na realidade, para exprimir o tamanho médio de grãos de uma areia, utiliza-se o Módulo de Finura que é uma aproximação desse conceito. Ainda a partir -da distribuição granulométrica, pode-se determinar a superfície específica teórica da areia, que e assim designada -porque indica a área da superfície de um grama de grãos de uma dada areia, se esses grãos fossem esféricos. A superfície específica real é determinada através do permeâmetro de Blaine. Desde que a esfera tem a menor área superficial por unidade de volume, a relação entre as superfícies específicas real e teórica deve ser maior ou igual à unidade e será tanto maior quanto mais a forma do grão diferir da forma esférica. Essa relação pode ser definida por coeficiente de angularidade. A título de exemplo, um cubo tem coeficiente de angularidade 1,25 aproximadamente e um tetraedro regular cerca de 1,49. A forma dos grãos de uma areia pode ser expressa através do seu coeficiente de angularidade ou então através de designações mais ou menos subjetivas como arredondada, sub-angular e angular, conforme esquema da figura 4.4. Os coeficientes de angularidade aproximados, correspondentes a cada uma das formas da figura 11 são: forma arredondada < 1,25 forma sub-angular 1,50 forma angular > 1,65 Fig Formas de grãos de areia 19

6 Todas essas características geométricas (isto é, a granularidade da areia-base) têm influência marcante sobre o empilhamento dos grãos de areia durante a moldagem. O tipo e a densidade do empilhamento dos grãos, por sua vez, exercem influência e, mesmo, determinam muitas propriedades intrínsecas ou ligadas ao comportamento da are ia de moldagem como a escoabilidade, a permeabilidade, a difusividade térmica, a expansibilidade térmica. Para que se possa mais facilmente compreender as implicações das características geométricas dos grãos no empilhamento e, portanto, nas propriedades, é interessante que se examine o empilhamento de grãos esféricos. a) Empilhamento de esferas de tamanho uniforme A maneira mais compacta de empilhar esferas de mesmo tamanho e o arranjo romboédrico ou hexagonal compacto, no qual cada esfera toca 12 outras esferas. Num arranjo desse tipo, a porcentagem do volume desocupado ( poros ou vazios ) é de quase 26%, independentemente de qual seja o tamanho das esferas (desde que sejam todas do mesmo tamanho). Esse espaço vazio é único e tem a forma de uma rede tridimensional. Considerem-se dois empilhamentos compactos de esferas de tamanho uniforme, sendo um de esferas pequenas e outro de esferas grandes. Para um mesmo volume total, o volume de poros é o mesmo nos dois casos, mas no primeiro caso a rede de vazios é constituída por um grande número de canais de pequenas dimensões, enquanto que no segundo caso tem-se um menor numero de canais de dimensões maiores. Para um gás que atravesse esses empilhamentos de esferas, a rede de vazios pode ser assemelhada a um conjunto de pequenos canais tortuosos e de dimensões não-uniformes. O gás em movimento é obrigado, portanto, a mudar de direção inúmeras vezes e suas moléculas colidem entre si e com as paredes dos canais, o que constitui uma resistência à passagem do gás. Quanto menores e mais tortuosos os canais que formam a rede de vazios, tanto mais difícil será o escoamento de gás, isto é, menor será a permeabilidade. Se toda a rede de vazios fosse substituída por apenas um tubo reto de mesmo volume, a permeabilidade seria muito maior. À medida que decresce o tamanho das esferas, o número de canais ou poros existentes entre elas aumenta, mas suas dimensões ficam menores e o número de mudanças de direção aumenta. Como resultado disso, a permeabilidade decresce, embora o volume de vazios permaneça inalterado. b) Empilhamento de esferas de diversos tamanhos A maneira mais cômoda de estudar o empilhamento -de esferas de diferentes tamanhos é considerar as possíveis alterações introduzidas num empilhamento compacto de esferas uniformes pela adição de esferas com dimensões diferentes. A maior esfera que cabe no interstício típico de um empilhamento compacto de esferas com diâmetro D, tem diâmetro d 1 = D ( 2-1) ou, aproximadamente, d 1 = 0,4 D, dando uma relação entre os diâmetros das esferas maiores e os das esferas menores D/d 1 = 2,5. Portanto, se a um conjunto de esferas de diâmetro D formos adicionando esferas com diâmetro d 1 0,4D, é possível conseguir-se empilhamentos progressivamente mais densos, em que as esferas menores ocupam os interstícios das maiores. Nessas condições a proporção de vazios no empilhamento diminui e a densidade aumenta. A figura 4.5 esquematiza a variação de densidade e do volume de vazios para esse caso. É possível prosseguir nesse processo de redução da proporção de vazios, adicionando-se, em seguida, 20

7 0 % de esferas com d 1 0,4 D 10 Fig Volume de vazios e densidade de empilhamento no caso de d 1 0,4D (esquemático). volume de vazios densidade densidade volume de vazios esferas com diâmetro d 2 0,4d 1 e assim sucessivamente. Suponhamos agora que ao conjunto de esferas com diâmetro D se adicionem algumas esferas com diâmetro d' 1 tal que D > d' 1 > 0,4D. Sabemos que estas novas esferas não têm diâmetro suficientemente pequeno para que caibam nos interstícios do empilhamento de esferas maiores, de modo que sua introdução perturbará o empilhamento compacto inicial o empilhamento resultante ficará menos denso, isto é, com proporção de vazios maior que 26%. À medida que a proporção de esferas com diâmetro d' aumenta, a densidade do empilhamento diminui, até alcançar um mínimo e aumentar novamente; a densidade máxima será novamente alcançada quando as esferas de diâmetro d' 1 constituírem 100% do empilhamento. A variação de densidade, neste caso, é esquematicamente mostrada no gráfico da figura 4.6. É evidente que esses mesmos gráficos das figuras 4.5 a 4.8 podem ser usados para representar os casos inversos, em que esferas de grande diâmetro sejam introduzidas em empilhamentos de esferas de menor diâmetro. Basta que os gráficos sejam lidos da direita para a esquerda % de esferas com D > d 1 > 0,4 D Fig Volume de vazios e densi-dade de empilhamento no caso de D > d 1 > 0,4 D (esquemático). c) Empilhamento de grãos de areia (não-esféricos) Devido à forma irregular dos grãos de areia, não e possível, apenas pela via te6rica, conhecer-se com precisão os efeitos de variações do tamanho dos grãos no volume de vazios e, portanto, na densidade dos empilhamentos resultantes. Mas os efeitos podem ser estimados, supondo-se que, os grãos irregulares de areia se comportem de forma semelhante a esferas de dimensões equivalentes. A prática mostra que isso efetivamente acontece, de modo que, de forma aproximada, podemos adotar as mesmas conclusões obtidas nos parágrafos anteriores. Neste caso, entretanto, não se pode falar em diâmetros, já que os grãos de areia reais não são esféricos. Além disso, não existem dois grãos de areia exatamente iguais e, portanto, não faz sentido raciocinar em termos de dimensões de grãos individuais, mesmo porque seria impossível medir cada grão. Na prática, as dimensões dos grãos de areia são expressas em termos de faixas granulométricas, isto é, faixas de tamanhos de grãos, definidas pelas aberturas das malhas de peneiras consecutivas numa série padronizada de peneiras. A tabela 4.I apresenta algumas das séries de peneiras usadas para analisar as dimensões de grãos de areia-base para fundição. Se por uma dessas 21

8 séries de peneiras fizermos passar uma amostra de areia, de tal modo que o material que passa pela malha de maior abertura seja dirigido à de abertura imediatamente menor e assim sucessivamente, como resultado teremos uma distribuição dos grãos da amostra segundo às faixas granulométricas definidas pela série de peneiras escolhida. A distribuição granulométrica é expressa pelas frações porcentuais da amostra contidas em cada faixa granulométrica: cada uma dessas frações é denomina da fração granulométrica. Em geral, a relação entre a maior dimensão e a menor dimensão de uma faixa granulométrica é de 2, isto é, aproximadamente 1,4 (menor que 2,5). Podemos deduzir, portanto, que a porcentagem de vazios em qualquer fração granulométrica é maior que 26%, mas não podemos saber de antemão qual seja a real porcentagem. Como também não podemos afirmar que duas diferentes frações granulométricas apresentam a mesma porcentagem de vazios, pois embora as relações entre as dimensões máxima e mínima sejam iguais nas duas frações ( 2), nada garante que as distribuições dos diversos tamanhos de grãos sejam semelhantes. Além disso, a forma dos grãos pode variar substancialmente numa mesma areia, de uma fração granulométrica para outra. Assim, se escolhermos duas faixas granulométricas contíguas da série U.S.S., por exemplo -0,84 +0,59mm e -0,59 +0,42mm, e repetirmos para grãos de areia compreendidos nessas faixas o raciocínio aplicado a esferas perfeitas, isto é, substituirmos progressivamente os grãos da fração -0,84 +0,59mm por grãos da fração -0,59 +0,42mm, verificaremos que a variação da densidade e porcentagem de vazios se processará de acordo com a figura 4.7 (comparar com a figura 4.6). De fato, a maior relação de dimensões possível é 0,84 0,42 = 2, menor que 2,5, o que indica que o menor grão da faixa -0,59 +0,42mm não cabe num vazio formado pelos maiores grãos da faixa -0,84 +0,59mm e, portanto, "perturba" o empilhamento; como resultado, a porcentagem de vazios aumenta e a densidade diminui (figura 4.7). Se em lugar da faixa -0,59 +0,42mm escolhêssemos a faixa -0,21 +0,15mm, teríamos que a menor relação de dimensões possível seria 0,59 0,21 = 2,8, maior que 2,5, significando que qualquer grão da faixa -0,21 +0,l5mm cabe comodamente em qualquer vazio de empilhamento de grãos da faixa -0,84 +0,59mm e que a mistura de grãos dessas duas frações sempre resulta em diminuição da porcentagem de vazios e aumento da densidade (figura 4.8). Se o mesmo raciocínio fosse repetido para cada uma das faixas intermediárias não consideradas, respectivamente -0,42 +0,30mm e -0,30 +0,21 mm, teríamos as seguintes relações de dimensões em relação à faixa -0,84 +0,59mm: 22 densidade aparente, g/cm 3 3 densidade aparente, g/cm 1,45 1,35 1, % de material -0,59 +0,42mm Fig Combinação de faixas granulométricas -0,84mm +0,59mm e -0,59mm +0,42mm. 1,6 1,5 1,4 1, % de m aterial -0,21 +0,15m m Fig Combinação de faixas granulométricas -0,84mm +0,59mm e -0,21mm +0,15mm.

9 1º caso maior relação = 0,84 0,30 = 2,8 >2,5 (faixas -0,84 +0,59 e -0,42 +0,30) menor relação = 0,59 0,42 =1,4 < 2,5 2º caso maior relação = 0,84 0,21 = 4 >2,5 (faixas -0,84 +0,59 e -0,30 +0,21) menor relação = 0,59 0,30 = 1,97 < 2,5 A rigor, portanto, não se pode, afirmar que qualquer das combinações de faixas granulométricas resulte em aumento ou diminuição da porcentagem de vazios ou da densidade. Os números obtidos, no entanto, sugerem que, no primeiro caso, a combinação de grãos das duas faixas não deve resultar em variações sensíveis da densidade e da porcentagem de vazios, enquanto que no segundo caso, deve-se observar uma pequena tendência ao aumento da densidade com diminuição da porcentagem de vazios. Resumindo as considerações feitas até aqui, podemos deduzir que uma areia-base cujos grãos estejam distribuídos entre quatro faixas granulométricas consecutivas da série U.S.S. deve apresentar porcentagem de vazios (e, portanto, densidade) semelhante à observada na primeira das quatro faixas. A introdução de uma quinta faixa granulométrica, no entanto, conduz a apreciável redução do volume de vazios (aumento da densidade). E evidente que essa tendência se acentua à medida que novas faixas granulométricas mais finas vão sendo introduzidas no agregado. No raciocínio usado até supôs-se que os grãos de areia reais comportam-se, para fins de empilhamento, aproximadamente como esferas. Essa suposição é válida desde que não se perca de vista dois fatos importantes. O primeiro deles é que os grãos reais, com suas formas irregulares, apresentam maior dificuldade que partículas esféricas para alcançar um dado grau de compactação (ou densidade). A característica de escoabilidade já foi definida em 3.l (a). Quanto maior o coeficiente de angularidade dos grãos, menor a escoabilidade da areia, isto é, menor será a densidade alcançada com uma dada energia de compactação (ou maior será a energia de compactação necessária para se alcançar uma dada densidade). O segundo fato a ser considerado tem implicações na permeabilidade da areia compactada. Desde que a superfície específica da areia aumenta com a irregularidade da forma dos grãos (a definição do coeficiente de angularidade está baseada nisso), mantendo-se constantes as demais características geométricas da areia base; e o grau de compactação, a permeabilidade decresce a' medida que a forma dos grãos se afasta da forma esférica. Entretanto, para fins práticos, o efeito da forma dos grãos sobre a permeabilidade tende a ser suplantado pelas diferenças em escoabilidade. Na operação de moldagem esta afeta diretamente o grau de compactação do molde e, portanto, as dimensões dos canais que formam a rede de vazios. Por exemplo, com uma redução de apenas 5% na densidade do molde a área dos canais aumenta em 100%, enquanto que as maiores variações de superfície específica devidas à variação na forma dos grãos raramente ultrapassam os 25%. À medida que a irregularidade da forma dos grãos se acentua pode-se ter uma reversão dessa tendência, observando-se densidades de empilhamento mais altas e permeabilidades mais baixas. Esse efeito não é difícil de ser compreendido basta que se imagine um caso extremo em que os grãos apresentam formas cúbicas ou paralelepípedos, tornando possível formar, em determinadas regiões, empilhamentos semelhantes a uma parede de tijolos Como as características geométricas dos grãos de areia afetam as propriedades No parágrafo 4.2 procurou-se mostrar os efeitos das características geométricas no empilhamento dos grãos de areia-base. Embora naquelas considerações se tenha omitido, para simplificar a discussão, a presença do ligante ou aglomerante, as conclusões tiradas não perdem significado porque 23

10 nas areias de moldagem razoavelmente bem preparadas, o aglomerante (argila umedecida) distribui-se sobre a superfície dos grãos de areia-base na forma de uma camada mais ou menos uniforme. Como a espessura desse filme é, via de regra, muito pequena, quando comparada às dimensões dos grãos de areia, os grãos recobertos de aglomerante guardam muita semelhança, em forma e dimensões, com os grãos originais não cobertos. Portanto, levando-se na devida conta o fato de que, para compactar uma areia aglomerada, o esforço aplicado deve vencer as forças adesivas dos filmes de argila umedecida (e não apenas o atrito entre grãos descobertos), as considerações do parágrafo anterior podem ser aplicadas imediatamente às areias de moldagem. Os efeitos dos filmes de argila podem ser considerados aditivos aos das características geométricas da areia-base e serão vistos mais adiante. a) Permeabilidade Esses efeitos já foram discutidos no parágrafo anterior e só serão aqui resumidos: a permeabilidade varia diretamente com o tamanho médio dos grãos; para um mesmo tamanho médio de grãos, a permeabilidade varia com a distribuição granulométrica, sendo maior para areias concentradas em poucas faixas granulométricas e menor para areias distribuídas em várias faixas granulométricas. Os efeitos da forma dos grãos sobre a permeabilidade podem ser desprezados, já que as variações de superfície específica tendem a ser compensadas pelas variações na escoabilidade. b) Escoabilidade O principal fator determinante da escoabilidade numa areia de moldagem são as forças adesivas que têm que ser vencidas para se promover a sua compactação e estas são função direta da espessura e da qualidade dos filmes de argila umedecida que recobrem os grãos de areia. Esse efeito será discutido mais adiante. Mas é evidente que as características geométricas dos grãos também desempenham papel importante, pois a escoabilidade será tanto menor quanto maior for o número de contatos entre grãos, isto é, de pontos de aplicação das forças adesivas. O numero de pontos de contato aumenta com a diminuição do tamanho médio dos grãos e com o aumento do número de faixas granulométricas (espalhamento da distribuição granulométrica). Portanto, supondo-se que as formas dos grãos sejam semelhantes, areias mais finas e/ou de distribuição granulométrica mais espalhada, tendem a apresentar menor escoabilidade. No que diz respeito à forma dos grãos, a escoabilidade será tanto menor quanto mais irregulares forem os grãos. Assim, uma areia constituída de grãos angulares tem menor escoabilidade que uma areia sub-angular e esta tem menor escoabilidade que uma areia de grãos arredondados, desde que as demais características geométricas sejam semelhantes nos três casos. A figura 4.9 esquematiza as duas situações extremas, mostrando que, os agregados de grãos de formas irregulares apresentam maior número de pontos de contatos a impedir um deslizamento fácil durante a compactação. c) Difusividade térmica da areia compactada Em 3.2 ficou evidente a complexidade inerente ao estudo das transferências de calor em moldes de fundição devido ao grande número de fatores envolvidos e aos diferentes modos pelos quais o calor é transferido através do molde no decurso da fundição e solidificação de uma peça. Mesmo que não se disponha ainda de uma visão total do problema, o conhecimento do modo genérico pelo qual os diversos fatores ligados ao molde influenciam a velocidade de transferência de calor, pode ser extremamente útil. Somando-se o que foi dito em 3.2 às considerações feitas em 4.2 pode-se resumir a influência das características geométricas da areia-base sobre a difusividade térmica no seguinte: Fig O maior número de pontos de contato nas areias angulares traduz-se em menor escoabilidade. 24

11 nos casos em que, durante a fundição e a solidificação existem quantidades apreciáveis de gases ou vapores no molde (em geral provenientes do pr6prio material de moldagem), altas permeabilidades favorecem a extração rápida de calor, isto é, resultam em alta difusividade; nesses casos, portanto, o mesmo raciocínio aplicado para o estudo dos efeitos das características geométricas sobre a permeabilidade vale igualmente para a difusividade térmica. nos casos em que a quantidade de gases presente não é suficiente para que a convecção se torne um mecanismo importante de transferência de calor, a densidade da areia compactada afeta diretamente a transmissão de calor por condução. Assim, todo o conjunto de características geométricas que conduza a uma pequena proporção de vazios (alta densidade) favorece a difusividade térmica. É importante lembrar, porém, que mesmo que se utilizem altas pressões de moldagem, os moldes de fundição não alcançam as máximas densidades teóricas, ficando mesmo, na maioria dos casos, muito aquém desse máximo. A intensidade de compactação é, portanto, uma variável importante à disposição do fundidor para controle da maioria das propriedades do molde, inclusive da permeabilidade e a difusividade térmica. Tomando como base a prática mais usual de moldagem nas pequenas e medias fundições, incrementos moderados na intensidade de compactação trazem como efeito sensível imediato uma redução de permeabilidade, não se notando variações de importância na difusividade. Isso indica que, na faixa de densidades de molde usuais nessas fundições, as influências de variações na permeabilidade e na densidade do molde sobre a sua difusividade térmica praticamente se contrabalançam. d) Estabilidade térmica dimensional As tensões introduzidas nos moldes em razão de expansões térmicas, resultam, em última análise, da expansão que cada grão individual de areia sofre quando aquecido. Se todos os grãos de areia de um molde fossem uniformemente aquecidos até uma dada temperatura, a expansão total do molde seria determinada apenas pelo coeficiente de expansão térmica do mineral de que se constituísse a areia (sílica, na maioria dos casos). Na realidade, as expansões observadas em moldes de fundição são menores do que as indicadas simplesmente pela aplicação dos coeficientes de expansibilidade térmica dos materiais envolvidos. As razões mais importantes para isso são: o adensamento obtido com os processos comuns de moldagem não permite que se alcancem as densidades máximas teóricas; desse modo, muitos grãos de areia expandem-se livremente e não contribuem para a expansão total. em cada região do molde a temperatura varia continuamente e, em geral, não há condições para que todos os grãos ali contidos sejam aquecidos por inteiro à temperatura vigente no momento. No caso particular da sílica, em que uma parcela importante da expansão observada se deve à inversão do quartzo, esse fato se torna ainda mais importante. Além disso, encarando-se o problema do ponto de vista estritamente prático, a quase totalidade dos defeitos devidos à expansão térmica ocorre antes que a cavidade do molde seja completamente preenchida pelo metal líquido, já que poucos segundos após o contato com a parede do molde, a maioria das ligas metálicas já apresenta uma crosta solidificada que pode reproduzir um defeito já existente, mas é essencialmente insensível a posteriores trincamentos no molde. Portanto, o tempo disponível para que ocorram defeitos de expansão está praticamente limitado ao período de preenchimento do molde. (Decorre daí, que quanto mais rápido se processar o preenchimento do molde com metal líquido, tanto menor será a possibilidade de ocorrência de defeitos devidos à expansão térmica). A influência das características geométricas da areia-base sobre a estabilidade térmica dimensional dos moldes pode, portanto, ser sumarizada como segue: 25

12 qualquer conjunto de características geométricas que dificulte a obtenção de empilhamentos de grãos teoricamente compactos favorece a estabilidade térmica dimensional dos moldes, por evitar que uma parcela importante dos grãos contribua para a expansão total. Deve-se, portanto, evitar a utilização de areias-base com distribuições granulométricas concentradas em uma ou duas faixas (peneiras da série padrão); distribuições excessivamente espalhadas, com concentrações importantes em cinco ou mais faixas granulométricas tendem a produzir efeito semelhante, além de reduzir a permeabilidade. qualquer conjunto de características ou procedimentos que limite a obtenção de altas densidades no molde também favorece a estabilidade térmica dimensional. Sob esse ponto de vista, a redução da escoabilidade, com a utilização de grãos sub-angulares ou angulares, seria benéfica. Muito mais eficiente, porém, é a limitação da densidade do molde através do controle da intensidade de compactação. A densidade do molde pode ser monitorada de forma simples e precisa através da medida da dureza ( ). altas difusividades térmicas favorecem a estabilidade térmica dimensional dos moldes, desde que, evidentemente, não sejam obtidas por elevação do grau de compactação, mas sim através de altas permeabilidades. É necessário ressalvar que, embora se obtenham altas permeabilidades com distribuições granulométricas concentradas, a alta densidade de empilhamento resultante tende a aumentar a sensibilidade do molde à expansão térmica dos grãos. Assim, além do emprego de menor energia de compactação, a única forma de se melhorar a estabilidade térmica do mol de com aumento de permeabilidade, reside na utilização de areia, com maior tamanho médio de grão. Altas difusividades térmicas resultam em extração mais rápida do calor introduzido pelo metal fundido nas regiões próximas da interface metal-molde, com conseqüente redução das temperaturas máximas atingidas nessas regiões. Além disso, a uniformização da temperatura ao longo da seção transversal de cada grão de areia ocorre mais lentamente em grãos grandes do que em grãos pequenos, de modo que aqueles se expandem mais lentamente que estes. É preciso que se tenha em mente que as características geométricas da areia-base não são os únicos fatores a influir na estabilidade térmica dimensional dos moldes. Os efeitos da constituição mineralógica da areia já foram indicados em 4.l. Os efeitos dos outros componentes das areias de moldagem serão discutidos quando se proceder ao seu estudo específico (argilas, umidade, aditivos). e) Outras propriedades dos moldes As influências das características geométricas dos grãos de areia-base sobre as demais propriedades dos moldes são, em geral, reduzidas ou mascaradas pela ação de outros componentes da areia. Entretanto, deve-se fazer menção ao caso da refratariedade. Devido ao período de tempo relativamente curto durante o qual se exige do molde a propriedade da refratariedade, areias de mesma constituição mineralógica, mas com diferentes características geométricas podem comportarse de maneira diferente. O tamanho médio dos grãos é fator importante, pois, como já foi dito, grãos de diferentes tamanhos se aquecem a diferentes velocidades, de modo que areias grossas (grande tamanho médio de grãos) comportam-se, nos moldes, como se fossem mais refratárias que areias finas (pequeno tamanho médio de grãos). Altas difusividades térmicas propiciam temperaturas mais baixas nas regiões do molde próximas da interface com o metal (e na própria interface), de modo que os moldes se comportam como se fossem mais refratários Seleção da areia-base As discussões feitas neste capítulo, se somadas à experiência prévia, fornecem os subsídios básicos necessários para a seleção da areia-base mais conveniente para cada aplicação. Não são poucos os casos em que essa seleção é feita apenas com base no custo por tonelada de areia- 26

13 base, mas é evidente que com tal método de seleção as probabilidades de sucesso são mínimas. É verdade que várias fundições suprem-se de suas necessidades de areia-base extraindo-a de depósitos situados junto ao próprio local da fundição. Mas se forem examinados os antecedentes, poderá ser verificado que, na grande maioria desses casos, a localização da fundição foi determinada pela existência de um depósito de areia adequada às necessidades técnicas. Não se trata, portanto, do aproveitamento de depósitos descobertos a posteriori, já que essa possibilidade decorreria exclusivamente da sorte. Como além dos fatores técnicos existem componentes econômicos a influir na seleção da areia-base e que pequenas inadequações técnicas podem ser contrabalançadas pelo uso criterioso de aglomerantes e aditivos, não existe uma fórmula de seleção que aplicada a cada caso indique a areia-base ideal. Como se pôde perceber ao longo do presente capítulo, o tratamento do problema da areia-base apenas do ponto de vista teórico fornece, em geral, indicações qualitativas que, de um lado, complementam as informações quantitativas tiradas da prática diária e, de outro ledo, servem como ferramentas poderosas na detecção das causas de problemas encontrados em fundição. As propriedades do molde que sofrem influência direta da areia-base e que devem ser levadas em maior consideração quando da sua seleção, são a refratariedade, a inércia química, a difusividade térmica, a estabilidade térmica e a permeabilidade. Outro aspecto importante, que também é afetado diretamente pela areia-base é o acabamento superficial do molde, que é retratado, com maior ou menor fidelidade, pela peça fundida. Os graus de exigência para todas essas propriedades ou características são determinados essencialmente pelo tipo de metal fundido e pelo porte da peça a ser produzida. O tipo de metal fundido define a temperatura a que a superfície do molde será aquecida e o tipo de agressão química a que ela será submetida; o porte da peça fundida estabelece os tempos durante os quais os moldes ficam sujeitos a altas temperaturas (assim como a distribuição de temperaturas ao longo da parede do molde), os tempos de exposição às condiç3es agressivas e a magnitude das pressões exercidas pelo metal líquido contra as paredes do molde. Em 3.2 foram indicados os fenômenos que ocorrem durante o enchimento do molde pelo metal líquido e após o preenchimento da cavidade do molde, tendo-se deixado implícita a importância dos fatores temperatura, tempo de exposição tanto à temperatura como à condição de reação química e pressão metalostática, assim como da conseqüente formação de gases e vapores. É evidente que a severidade dos efeitos cresce com o aumento de cada um ou de todos esses fatores. Mas, ainda que de primordial importância, esses não são os únicos fatores a serem considerados. As diversas ligas metálicas fundidas não diferem umas das outras apenas na temperatura de fusão ou temperatura de vazamento e na reatividade em relação ao material de moldagem, mas apresentam diferenças importantes em propriedades físicas e físico-químicas que podem se constituir mesmo nos principais determinantes da seleção não apenas da areia-base, como dos aglomerantes e aditivos, das técnicas de moldagem e dos procedimentos de acabamento do molde. Ao invés de se tentar abordar de modo genérico todos esses fatores, o que se fará a seguir será uma discussão breve por tipo de liga fundida. a) Areias-base para fundição de aços Os aços fundidos são vazados a temperaturas da ordem de 1600 C, constituindo-se nas ligas de uso comum que mais solicitam os moldes do ponto de vista térmico. Essas altas temperaturas de vazamento associadas a teores de carbono limitados e à presença, em certas ligas, de elementos como manganês, cromo ou outros em níveis apreciáveis fazem com que eles sejam particularmente suscetíveis à oxidação quando no estado líquido. Alguns dos óxidos formados têm problemas de reatividade com a sílica, conforme indica do em 4.1(a), podendo induzir a formação de defeitos decorrentes de reação metal-molde, os quais aparecem na forma de "escória" e, às vezes, de gases. Essa reatividade é realçada pela tensão interfacial óxidos-sílica que, em geral, é baixa: os óxidos molham a sílica, reagem com ela e penetram com facilidade no molde, abrindo caminho para penetração do aço, 27

14 que de outra forma, não tenderia a penetrar em pequenos vazios, uma vez que a tensão interfacial açosílica é alta. Na seleção da areia-base para fundição de aços deve-se, portanto, levar em consideração a possibilidade de se ter óxidos reativos no metal líquido no momento do vazamento, pois esse fato pode determinar a escolha de outro mineral-base que não a sílica. Nesses casos, areias de cromita ou de zirconita têm-se revelado excelentes substitutos da sílica, não apenas por sua maior inércia química em re1ação à maioria das composições de aços, como também em razão de sua menor expansibilidade térmica e maior difusividade térmica. Não se pode esquecer, entretanto, que, no elenco de técnicas comuns à disposição do fundidor, existem vários métodos eficientes para se evitar a reoxidação do metal durante o vazamento, que se resumem essencialmente ao projeto e execução de um sistema de canais que evite a aspiração de ar pelo fluxo metálico e favoreça a separação de óxidos ou escória presentes na panela. Entretanto, mesmo com esses cuidados, certas ligas ainda continuam particularmente suscetíveis aos defeitos mencionados, exigindo a utilização de areias-base mais inertes que as de sílica ou, então, que sobre a superfície do molde sejam aplicados filmes protetores na forma de tintas de fundição. Ressalvados esses casos extremos, as areias de sílica de alta pureza têm sido empregadas com sucesso na fundição de peças de aço. A experiência tem demonstrado a necessidade de se ter cerca de 99%, ou mais, de sílica para uma operação segura. Na realidade, esse valor inclui uma certa margem de segurança devida à possibilidade de parte da sílica, revelada pela análise química da areia, fazer parte de feldspatos de potássio (K 2 O.Al 2 O 3.6SiO 2 ou de sódio (Na 2 O.Al 2 O 3.6Si0 2 ) que têm baixo ponto de fusão (cerca de 1340 C). As altas temperaturas a que os aços fundidos submetem os moldes trazem, ainda, as seguintes conseqüências: rápida evolução de vapor d'água, proveniente da umidade da areia de moldagem, e de gases resultantes de combustão e/ou decomposição de aditivos orgânicos. aquecimento, por radiação, das camadas superficiais do molde a temperaturas superiores à da inversão do quartzo, logo no início do preenchimento da cavidade do molde pelo metal líquido, resultando em elevada tendência a defeitos devidos à expansão térmica. Fica evidente que, na fundição de aços, exigem-se areias-base com características geométricas que proporcionem os mais altos graus de estabilidade térmica e permeabilidade possíveis. Aplicando-se aqui as considerações feitas nos parágrafos anteriores ( 4.2 e 4.5), deduz-se que as areias-base para fundição de aços devem ter: tamanho médio de grão grande, que além de proporcionar elevada permeabilidade, aquece-se mais lentamente, o que resulta em melhor estabilidade térmica e maior refratariedade aparente do molde. Os módulos de finura geralmente especificados para areias-base destinadas à fundição de aços situam-se na faixa de 45 a 65, preferindo-se areias no extremo inferior da faixa (areias grossas) para a produção de peças pesadas e no extremo superior para peças pequenas. Não é incomum, entretanto, a utilização de areias ainda mais grossas (módulos de finura ao redor de 40) para peças particularmente grandes, mas, nesses casos, para evitar a penetração do metal no molde, torna-se imprescindível o uso de um faceamento feito ou com areia mais fina de características especiais (areias de cromita, zirconita ou chamote, ou através de uma pintura refratária ou ambos. distribuição granulométrica não concentrada em uma ou duas peneiras consecutivas da série U.S.S., mas espalhada por 3 ou, preferivelmente, 4 peneiras; é consenso generalizado que uma concentração de 90% dos grãos em 4 peneiras consecutivas proporciona moderadas características de expansão juntamente com valores de permeabilidade suficientemente altos. a forma dos grãos deve ser sub-angular, de modo a evitar as altas densidades de empilhamento características de grãos arredondados ou excessivamente angulares. Outra razão para que não se empreguem areias com grãos angulares reside na tendência que estes 28