Aula 03 - Areias de Fundição

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PROCESSOS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA I 
 
Eng° Marcos Santos – Esp. 
Recife/PE, Agosto de 2014 
Aula 03 
Areias de Fundição: 
- Tipos de areia 
- Areias naturais e sintéticas 
- Classificação das areias quanto à granulometria 
- Determinação do módulo de finura de uma areia e suas conseqüências 
- Características das areias: plasticidade; moldabilidade; dureza; resistência; 
permeabilidade; refratariedade 
- Preparo das areias 
- Composição típica de areias 
- Defeitos de fundição devido à areia 
- Outros materiais constituintes das areias: argila, bentonita, aglomerantes 
orgânicos, óleos e Resinas. 
 
RESUMO 
Areia de fundição é um aglomerado constituído de areia base, aglomerante, água 
e aditivos. 
 
Areia Base - É o que define a qualidade superficial da peça e o comportamento 
do molde a temperaturas elevadas. 
 
É obtida através de minerais ou de forma sintética. 
 
Um fator essencial é o pH que sempre tem de ser monitorado. 
 
A granulometria média é de 0,05 mm a 2 mm (peneiras 10 a 270). 
 
Areias de Fundição 
Tipos de Areia e sua composição 
Há diversos tipos de areia de base, entre elas destacam-se: 
 
Areia de Sílica (óxido de silício - SiO2) 
As areias de sílica são constituídas quase exclusivamente por quartzo, cuja 
densidade é 2,65 e cujo ponto de fusão é de 1726° C. 
 
Vantagens: É obtida com um teor de impureza mínimo; pela abundância de silício 
na crosta terrestre e facilidade de purificação, é muito mais barata; 
 
Desvantagens: Tem uma elevada expansão térmica; tem reatividade com alguns 
metais e ligas; pode causar uma doença denominada silicose. 
 
 
Tipos de Areia e sua composição 
 
Areia de Cromita (FeOCr2O3) 
 
O mineral cromita, FeO.Cr2O3, que contém 68% de Cr2O3, raramente ocorre 
isolado e os minérios de cromo conhecidos como cromitas são, na realidade, 
soluções sólidas de Fe, Cr e Mg com O. 
 
Vantagens: É a mais refratária entre as areias mais utilizadas; alto ponto de fusão 
(cerca de 2180 °C); comportamento químico neutro; 
 
Desvantagens: Existem poucos locais de obtenção desta areia no mundo, 
portanto, é mais cara.. 
 
Tipos de Areia e sua composição 
Areia de Zirconita (silicato de zircônio – ZrO2SiO2) 
 
 A zirconita é um silicato de zircônio, ZrO2.SiO2. 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. 
 
Vantagens: É mais refratária e apresenta a menor expansão térmica entre as areias 
mais utilizadas; é menos reativa com outros metais, particularmente com o ferro; 
 
Desvantagens: É mais cara, pois este tipo de areia não existe em abundância; sua 
alta densidade faz com que se gaste mais dessa areia para se fazer um molde. 
Tipos de Areia e sua composição 
Areia de olivina – Forsterita (2MgO. SiO2) e Faialita (2FeO.SiO2) 
 
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. 
 
Vantagens: propriedades intermediárias se comparadas aos outros tipos de areia, 
não apresenta problema de pneumoconiose (do tipo silicose). 
 
Desvantagens: propriedades intermediárias se comparadas aos outros tipos de 
areia; tem a refratariedade mais baixa entre as areias mais utilizadas; material frágil 
Tipos de Areia e sua composição 
Areia de Chamote. 
Pode ser obtida da calcinação de certas argilas a altas temperaturas de modo a 
formar blocos sinterizados, que depois são britados e classificados, como também 
de misturas de refratários granulados obtidas da britagem de cadinhos e tijolos 
refratários 
 
Vantagens: uma alternativa interessante para a sílica, quando se trata de fundir 
grandes peças em aço ou em ferro fundido, O emprego de areias de chamote 
diminui consideravelmente o risco de ocorrência de defeitos devidos à expansão 
 
Desvantagens: deve ser aglomerada com uma argila compatível (argila refratária), 
de modo que uma não atue como fluxante 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. 
 
 
Tipos de Areia e sua composição 
 
 
 
Tipos de Areia e sua composição 
Areia Verde - É a areia mais barata e mais utilizada nos processos de fundição 
por gravidade. Recebe este nome por ser uma areia que contém umidade, assim 
como a madeira úmida é chamada madeira verde. 
 
Embora toda areia aglomerada com argila seja moldada no estado úmido e, 
portanto, a verde, costuma-se usar o termo moldagem em areia verde quando os 
moldes não sofrem secagem antes do vazamento. 
 
Tratamento com CO2 - O tratamento com CO2 pode ser feito em areia verde 
para o endurecimento do molde. 
Tipos de Areia e sua composição 
Areia Seca – Este tipo de areia pode ser: semissintética ou sintética. No 
processo de fundição passa por secagem que deixa o molde mais rígido. 
 
Daí temos a s seguintes denominações: 
 
Moldes de areia estufada (quando a secagem é feita em estufa), moldes secos ao 
ar (quando os moldes sofrem uma secagem superficial, por evaporação, em 
condições normais) e moldes secos a chama ou com ar aquecido (em que a 
secagem superficial é acelerada pelo aquecimento com chama ou ar aquecido). 
Tipos de Areia e sua composição 
Areia Cimento - Baseada em areia siliconada, cimento portland e água. Possui 
bom acabamento e é muito utilizada com peças de grande porte. 
 
Areia de Macho – É uma areia que contém óleo de macho, óleo de linhaça 
(secativos), elementos orgânicos e bentonita. Necessita de secagem em estufas. 
 
Areia para Shell Molding - Mistura-se areia e resina sintética (aglomerante). 
Tem o melhor acabamento entre os processos que envolvem areia. 
Necessita de secagem em estufas. 
 
Areias Naturais e Sintéticas 
“Areias naturais” ou “terras de fundição naturais”, ocorrem em depósitos 
naturais originados da decomposição de arenitos de cimento argiloso ou da 
alteração de rochas feldspáticas; as areias ou terras naturais já contêm portanto, 
em seu estado natural, dois dos constituintes básicos de uma areia de moldagem – 
os grãos de areia e a argila - bastando adicionar água. 
 
Misturando artificialmente os constituintes básicos tomados isoladamente e mais 
os eventuais aditivos e compondo o que se denomina “areia sintética”. 
 
Introduzindo modificações nas areias naturais, por meio de adições de materiais 
que visam corrigir ou melhorar as suas propriedades; os materiais adicionados 
podem ser constituintes considerados básicos, como areia base ou argila, 
conforme se constate deficiência destas na areia natural em vista de suas 
propriedades. A esse tipo de areia natural modificada se dá o nome de "areia 
semi-sintética”. 
Módulo de Finura 
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 
Módulo de Finura 
Módulo de finura - Soma das porcentagens retidas acumuladas em massa 
de um agregado, nas peneiras da série normal, dividida por 100 
 
Método para determinação do módulo de Finura 
O equipamentoconsiste em um jogo de peneiras série normal, uma 
balança de precisão e um vibrador mecânico 
1. Pesar 100 g de areia completamente seca 
2. Colocar a amostra na peneira superior de malhas mais grossas e fazer 
vibra o conjunto por 15 minutos 
3. Desmontar as peneiras do vibrador e, começando da peneira superior, 
pesar a quantidade de areia que permaneceu nas peneiras 
4. Anotar as quantidades pesadas em uma tabela conforme abaixo 
Módulo de Finura 
 
 
Módulo de Finura 
a) mesa vibratória; b) peneiras série normal 
Ex.: areia de sílica módulo de finura 50-57AFS (American Foundry Society) 
Classificação das Areias quanto à 
granulometria 
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 abaixo 
Conseqüências do Módulo de Finura 
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. 
O maior número de pontos de contato nas areias 
angulares traduz-se em menor escoabilidade 
Conseqüências do Módulo de Finura 
Aspecto macrografico 
de algumas areias de 
sílica 
Conseqüências do Módulo de Finura 
Característica das Areias de Fundição 
Refratariedade: A areia deve resistir ao calor o máximo possível a fim de não se 
fundir com facilidade, causando assim penetração no metal. Quanto mais elevado 
for o ponto de fusão de uma areia melhor será sua refratariedade. 
 
Permeabilidade: Esta propriedade é requerida para que os gases resultantes da 
entrada do metal no molde e de desprendimentos durante o resfriamento sejam 
expulsos. Pode ser adquirida observando-se a granulometria da areia, onde um 
maior diâmetro dos grãos representa maior permeabilidade, porém causa perda de 
qualidade no acabamento superficial das peças. Na tabela abaixo são 
exemplificados outros fatores que influenciam na permeabilidade. 
 
Escoabilidade: Capacidade de escoamento dos grãos de modo que a areia tome a forma do 
modelo e reaja à ação de forças externas. 
 
Característica das Areias de Fundição 
 
Plasticidade: É um efeito que gera compactação plástica da areia para permitir a 
extração do modelo e colocação dos machos, sem que ocorra colapso do molde. 
 
Dilatação: A maioria dos materiais expandem com determinado aumento de 
temperatura, a areia não é diferente, porem isto deve ser observado para que não 
cause problemas ao fundido. 
 
Esta dilatação é responsável por vários defeitos de forma e dimensão em peças 
vazadas, tais defeitos podem ser evitados escolhendo um determinado tipo de 
areia para a temperatura em que será derramado o metal 
 
Inércia química: Propriedade que deve atuar para minimizar/extinguir reações 
entre o molde e o metal líquido. 
Característica das Areias de Fundição 
Representação gráfica da dilatação de areias de moldagem. 
Preparação da areia de fundição 
São dois processos que constituem a preparação da areia: 
Mistura e Aeração. 
 
Mistura: Visto que algumas propriedades desejadas da areia de fundição são 
resistência mecânica adequada e um bom controle de expansão térmica da areia-
base, a mistura dos componentes da areia de fundição é vital para a obtenção de uma 
areia de boa qualidade. 
 
Aeração: a areia ao ser forçada a passar por uma peneira, antes da moldagem, os 
grumos serão desfeitos, a compactação será mais fácil e uniforme e o acabamento 
superficial será melhor. 
O peneiramento da areia pode ser: 
- manual (operação demorada que reduz a produtividade na moldagem) 
 
- Por aerador ou desintegrador mecânico, arremessando areia a alta velocidade 
contra algum tipo de obstrução (por exemplo, um pente metálico ou uma série 
deles) ou simplesmente realizando uma “chuva de areia” sobre uma peneira. 
Alguns misturadores utilizados no preparo 
de areia verde 
(a) misturador intensivo de galgas verticais; (b) misturador intensivo de galgas 
horizontais (Speedmullor), vista e corte; (c) Misturador intensivo continuo de galgas 
verticais e (d) misturador intensivo a contra-corrente, vista interior e esquema de 
funcionamento. 
Preparação da areia de fundição 
Preparação da areia de moldagem 
 
Constituintes da Mistura: 
 
MOLDAGEM EM AREIA A VERDE : 
 
AREIA BASE + AGLOMERANTE + ÁGUA + ADITIVOS 
 
Areia Base ⇒ constituinte granular refratário 
 
Aglomerante ⇒ Bentonita (argila) ⇒ ação de ligação entre os grãos da areia 
base ⇒ recobrimento dos grãos 
 
Água ⇒ ligações químicas ⇒ “aglomeração” dos grãos, propicia a obtenção de 
“moldabilidade”. 
Preparação da areia de fundição 
Para que se tenha uma idéia das dificuldades envolvidas no preparo das areias de 
moldagem, considere-se, por exemplo, a tarefa a ser cumprida por um misturador 
que deva preparar uma batelada de 500 kg de areia-base com 5% de bentonita (25 
kg) e 3% de umidade (pouco menos de 17 litros). 
 
A umidificação completa da argila exige a distribuição dos 17 litros de água sobre os 
25 kg de bentonita, que considerada como apresentando uma superfície específica de 
40 m2/g, tem uma superfície total de 1.000.000m². 
 
Assim, a umidificação da bentonita corresponde a espalhar a água 
sobre uma área de 1km × 1km (aproximadamente 200 campos de futebol). 
Defeitos devidos à areia de fundição 
1. Bolhas de gás 
 
Na areia a verde há várias causas que podem resultar no aparecimento de bolhas 
de gás, devido excesso de água livre, umidade elevada, permeabilidade inadequada. 
 
Defeitos devidos à areia de fundição 
2. Cicatrizes 
 
Este defeito é, basicamente, causado por uma quantidade excessiva de impurezas 
presentes na areia preparada, sendo mais crítico no ferro nodular, embora também 
possa se apresentar em fundidos de ferro cinzento, ocorrendo com maior 
freqüência em peças mais espessas. 
Defeitos devidos à areia de fundição 
3. Codificação ilegível 
 
Este defeito pode ter diversas causas, destacando-se: 
 grau de preparação deficiente da mistura; 
 uso de areia base muito grossa; 
 excesso de argila ativa; 
 excesso ou insuficiência de voláteis na areia preparada; 
 uso demasiado de separador; 
 elevada friabilidade da areia preparada. 
 
Defeitos devidos à areia de fundição 
Escama de expansão (chaga, darta) 
 
É resultante da expansão dos grãos de sílica durante o vazamento do metal, 
que resulta na formação de uma camada seca de areia que penetra na cavidade 
do molde, ocorrendo a sua ruptura e a conseqüente inclusão da mesma na 
peça e a ocupação do local da camada de areia pelo metal 
Defeitos devidos à areia de fundição 
Inclusão de areia 
 
É o principal defeito existente na maioria das fundições, praticamente sem 
muita possibilidade de ser reduzido a níveis irrisórios justamente pelo fato de 
ser proveniente, quase sempre, de outros defeitos, os quais acabam não sendo 
apontados pelo setor de inspeção das peças, tais como: 
 
 escama de expansão, que tem condições de ser eliminada da peça durante o 
seu processo de jateamento e/ou de rebarbação, mas que geralmente também 
resulta na inclusão, na peça, da camada de areia formadora da escama; 
 
 erosão, que na maioria das vezes ocorre no sistemade alimentação, motivo 
pelo qual o defeito se manifesta na peça sob a forma de inclusão de areia; 
 
 esmagamento e/ou quebra de cantos do molde, gerando rebarbas que, 
posteriormente, acabam sendo removidas da peça, mas que normalmente 
também provocam inclusão de areia; 
Defeitos devidos à areia de fundição 
Inclusão de areia 
 
 penetração por explosão, Outras causas do defeito de inclusão de areia, não 
provenientes de uma qualidade inadequada da areia a verde, poderiam ser: 
 raspagem do molde durante a colocação de machos; 
 limpeza inadequada do molde. Especificamente no tocante à areia a verde 
em si, basicamente só uma excessiva friabilidade do molde é que poderia 
originar inclusão de areia como defeito primário, independente, neste caso, de 
também vir a ocorrer erosão 
Defeitos devidos à areia de fundição 
Variação dimensional (empenamento, inchamento) 
 
Normalmente a origem do defeito reside numa resistência à compressão a 
verde e/ou a quente muito baixa, que permite ao molde se deixar amassar no 
seu fechamento ou ter a sua cavidade alargada durante o vazamento do metal. 
Outros materiais constituintes das areias: argila, bentonita, 
aglomerantes orgânicos, óleos e Resinas. 
 Aglomerante - É o material cuja finalidade é promover a ligação entre os grãos da 
areia base, dando certa resistência e moldabilidade ao material resultante. 
 
Uma areia de fundição pode conter mais de um tipo de aglomerante, dependendo do 
resultado requerido para a peça. Aglomerantes mais utilizados 
Argila (principalmente bentonita) – Garante uniformidade ao material; 
 
Dextrina – Fornece maior resistência mecânica ao molde quando este é seco em 
estufa; 
Farinha de milho gelatinizado (Mogul) – Melhora a trababilidade da areia; 
 
Breu em pó – dá à areia seca grande resistência mecânica 
 
Outros materiais constituintes das areias: argila, bentonita, 
aglomerantes orgânicos, óleos e Resinas. 
 Aditivos - Materiais adicionados à areia de fundição para suprir a necessidade de 
certa propriedade que não foi possível ser obtida através da areia base, do 
aglomerante e da água, no caso da areia verde. 
Os aditivos podem suprir: 
Deficiências no processo de mistura que levam a insuficiência de dispersão de argila 
e água sobre os grãos de areia; 
 
Influir nas interações entre a superfície do molde e o metal líquido, eliminando as 
reações metal-molde, aprimorando o acabamento superficial, evitando lavagens e 
inclusões de areia, etc.; 
 
Elevar a resistência a seco; 
 
Modificar propriedades a altas temperaturas; 
 
Facilitar a desmoldagem; 
 
Compensar os efeitos colaterais de outros aditivos; 
Outros materiais constituintes das areias: argila, bentonita, 
aglomerantes orgânicos, óleos e Resinas. 
Aditivos Orgânicos Carbonáceos: Pó de carvão (ou Carvão Cardiff), 
piches, resinas, asfaltos, que servem principalmente para evitar aderência da 
areia à peça; 
 
Celulósicos: Pó-de-madeira, que serve para consumir o oxigênio da 
cavidade do molde e para compensar a expansão térmica da areia; 
 
Amidos e Dextrinas: Aumentam a plasticidade sem grande prejuízo à 
resistência a compressão, aumentam a resistência e reduzem os efeitos da 
expansão térmica. 
 
Pó-de-sílica e o óxido de ferro: aditivos inorgânicos mais utilizados para 
adicionar alguma resistência e/ou plasticidade a quente e formar uma massa 
semilíquida que preencha os vazios e impeçam a penetração de metal; etc.