Aula 3_Areias de fundição_componentes principais

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PG0030 – Fundição
 2º semestre de 2016
AULA 3 – AREIAS DE FUNDIÇÃO : COMPONENTES PRINCIPAIS
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Campus Ponta Grossa
Professor: Dr. Denilson José Marcolino de Aguiar
Areias de fundição
Areia Verde
Mais conhecido e empregado processo de fundição
Preferência  
Economia, ampla variedade de metais com qualidade satisfatória (ferrosos e não ferrosos), podendo ser usado para produção em série.
Areia Verde : Processo
Basicamente compacta-se a mistura plástica de areia (sílica + argila + água) sobre um modelo  sacar o modelo  uso imediato.
Constituintes  trinômio areia base + argila + água.
Pode conter aditivos  intencionalmente colocados para melhorar propriedades.
Areia Verde : Processo
Para produção em série  possível sincronizar etapa de moldagem e fusão  vantagens para substituir processos mais caros...
... mesmo para atender requisitos rigorosos
Qualidade da peça  função da qualidade da areia
Ligação areia-argila-água
Grão de areia  envolto por lamelas de argila úmida (filme)
Ligação areia-argila-água
Água átomo de O une 2 átomos de H  covalente , altamente direcional.
Ligação areia-argila-água
Disposição dos átomos  cargas assimétricas  molécula dipolar
Superfície da areia (SiO2)  átomos de O  sítios de ligação com os H’s da água.
Caráter dipolar da água  moléculas se alinham rigidamente  camadas sucessivas sobre a areia
Resultado  união dos grãos por forças coulombianas.
Filmes em torno da areia
Formação  dipolo  ligação entre lamelas adjacentes  lamelas deslizam entre si por forças externas  moldagem!!
Compactação dos moldes  “pontes argilosas” (contato entre os grãos envoltos por argila). 
Força de ligação  promovida pela água!
Filmes em torno da areia
Mesmo sendo a argila o aglomerante, é a água que confere a plasticidade às lamelas (liga as lamelas de argila).
Pontes de H da água + átomos da superfície sólida;
Tensão superficial  moléculas água/água 
Resultado  grãos de areis ligados.
Eficácia da argila recobrir a areia
2 contribuições 
Resumindo ...
Adesão  interface areia/ argila
Eficácia da argila recobrir a areia
Coesão  facilidade da criação de pontes de hidrogênio  resistência interna do filme de argila.
Argilas  ortossilicatos que tem como componente principal o Al
Desequilíbrio elétrico interno  provocado pela disposição dos átomos + troca do Al (base da argila) por cátions externo à camada de sílica (Ca2+, Mg2+, K+, Na+)
A coesão
Diferença de potencial entre lamelas de argila  condições para alinhamento da água  COESÃO!!!
Como dito, a água é o ligante do processo...
Argila  tamanho bem refinado  muita superfície de contato e capacidade de interagir com a água.
Qual a função da argila?
Pontes de H formada pela água  forças coesivas da mistura
Esta estrutura lamelar  plasticidade.
A ausência da argila faria com que o efeito ligante da água fosse perdido. O efeito do trinômio é fundamental para conferir propriedades de moldagem.
Efeitos da argila
Argila  retém água por mais tempo e reduz a velocidade de evaporação.
Retração (por perda de água) no aquecimento  contrabalança a expansão dos grãos de areia...
Efeitos da argila
... ESTABILIDADE TÉRMICA DIMENSIONAL AO MOLDE!!!
.. Que só ocorre por causa da presença da argila
Água em excesso  
Comentários sobre o processo areia verde
1) Maior resistência ao conjunto  muitas pontes de água se encadeiam  se afastam da camada de argila.
2) Perda resistência do conjunto  distância muito grande da argila  menor efeito da diferença de potencial e das pontes de H  perda de efetividade após algumas camadas.
Água na prática ± 25 % (ótimo) 
Comentários sobre o processo areia verde
Propriedades da areia verde
1) Escoabilidade;
3) Plasticidade.
2) Consistência;
A combinação destas 3 propriedades  moldes uniformemente compactados.
Denilson Aguiar (DA) - escorregamento dos grãos uns sobre os outros. Quanto maior a escoabilidade, maior a densidade para um mesmo esforço aplicado--> economia operacional.
Denilson Aguiar (DA) - capacidade de manter a forma
Denilson Aguiar (DA) - capacidade de deformação sob um esforço externo
Areia a seco
Operações idênticas a areia a verde  adiciona-se a etapa de secagem.
Moldes pequenos  secagem em estufa
Moldes em poço (chão)  secadores portáteis
Tempo de secagem  função do tamanho da peça  alguns minutos até várias horas
Fatores que influenciam a secagem do molde
Temperatura da secagem
Condições de transferência de calor da estufa ou forno
Tamanho do molde
Características do molde seco
... Comparação com areia a verde
Mais resistente à erosão
Maior estabilidade dimensional
Maior resistência à pressão metalostática
Maior resistência à penetração do metal
Maior custo (etapa de secagem)
Areia aglomerada com resina
2 grandes grupos de resinas:
Termoplásticas  amolecem sob ação do calor
Termofixas  enrijecem sob ação do calor 
... Logo  termofixas interesse em fundição
Areia aglomerada com resina
Cura da resina  materiais insolúveis, infusíveis (inerente ao processo de reticulação  ligações cruzadas)
Resina cura a frio  temperatura ambiente  catalisador líquido ou gasoso.
Resina cura a quente  ação do calor na cura
Processo de cura
Inicia-se logo após a mistura dos componentes (areia + resina + catalisador) 
Mistura  fluida por um período para permitir a moldagem (tempo de bancada).
Após um tempo  resistência mecânica  cura completa da resina
Processo silicato de sódio+ CO2
Endurecimento  processo físico químico dividido em 3 etapas:
1) Duas reações químicas formando sílica gel, carbonato e bicarbonato de sódio, parcialmente responsáveis pelo endurecimento
Na2O. 2 SiO2 + CO2 Na2CO3 + 2SiO2 
Na2O. 2 SiO2 + 2 CO2 + H2O  2 NaHCO3 + 2SiO2 
Processo silicato de sódio+ CO2
2) Secagem  desidratação do silicato de sódio promovida pelo CO2
Silicato de sódio tende a se tornar um vidrado pela perda de água. Portanto, o excesso de água tende a ser carregado pelo CO2 seco  acentua-se pela gasagem
Processo silicato de sódio+ CO2
3) Secagem  desidratação por difusão da umidade para a atmosfera
A água existente na solução de silicato (remanescente  o que não reagiu com o CO2  vai para a atmosfera
Processo silicato de sódio+ CO2
Formação da sílica-gel
Necessidade de penetração do CO2 na película de solução do silicato sobre o grão de areia  precisa de um tempo de contato.
Início do processo  baixa vazão de gás  maior tempo de contato  maior velocidade de reação química
Etapas finais depois da reação química ocorrida  maior vazão de gás aumenta taxa de passagem de água para superfície
Areia  responsável pelo volume do molde
Silicato de sódio  aglutinante  endurecimento
Sílica coloidal perde sua função aglomerante em temperaturas elevadas  facilita a desmoldagem por causa da colapsibilidade...
Processo silicato de sódio+ CO2
Na prática...
Processo silicato de sódio+ CO2
A perda da função aglomerante não é tão extensa e a colapsibilidade não é tão boa...
... Aditivos para melhorar!!!
Características da mistura para o processo silicato de sódio+ CO2
Areia com baixo teor de impurezas
Areia com umidade baixa (máx. 1%)
Temperatura do processo máx. 25 ºC
Granulometria da areia controlada
Areia com baixo teor de finos (quebradiço)
Silicato escolhido de acordo com a composição da mistura
Características da mistura para o processo silicato de sódio+ CO2
Mistura  endurecer em tempos curtos sem necessidade de estufas
Areia silicosa lavada  finura 50 a 115 AFS + 2,5 a 6 % de silicato + aditivos (colapsibilidade)
Preparo da areia ( silicato de sódio+ CO2)
Misturadores convencionais  3 a 5 minutos
Tempo de bancada  30 minutos a 3 horas
Corrente de CO2 nos moldes preparados  endurecimento.
Composição e granulometria da areia
Fatores que influenciam tempo de gasagem
% de finos
Em condições normais  ~1 minuto  tempos prolongados aumente a resistência mas torna o molde quebradiço.
Temperatura do gás
GasagemResina sintética + areia  placa metálica aquecida  casca fina sobre a placa.
Moldagem em casca
Resinas geralmente fenólicas + areia 100 AFS isenta de impurezas
Areias  a base de sílica, zirconita e olivinas
Materiais no processo Moldagem em casca
A escolha deve ser em função do custo, natureza da areia, distribuição granulométrica, forma do grão, impurezas e propriedades mecânicas...
Obs: Nem sempre areia de baixo cuto = processo mais barato  pode aumentar consumo de resina!!!
Resinas usadas  grupo novolaca (fenol +formol)
Materiais no processo Moldagem em casca
Excesso de fenol  necessitam de agentes conversores e calor para a cura
Agente conversor  hexamina (=mistura de amônia e formaldeído)
Novolaca  resinas termoplásticas  transformam em termofixas com formaldeído
Como ocorre o endurecimento?
Hexamina  fornece formaldeído para o processo (conversor)  mistura durante a preparação da areia (com a resina ainda líquida)
Placas aquecidas 230 – 300 ºC  hexamina se decompõe e reage com água residual da resina  formaldeído + amônia
Como ocorre o endurecimento?
Reações complementares  entrelaçamento das cadeias resultando em polímero termofixo.
São os constituintes de maior proporção. As mais usadas são:
Areias de base
1) Sílica
2) Cromita
3) Zirconita
4) Olivinas
Principais Propriedades da Areias de base
1) Pureza  dificilmente são 100% puras  controle, pois impurezas baixam ponto de fusão e reagem com metal
2) Presença de orgânicos  algumas vezes necessário “queimar” a areia para eliminar orgânicos  estes aumentam o consumo de ligantes
Principais Propriedades da Areias de base
3) Forma dos grãos  observável em baixos aumentos (típico 40 x)
Denilson Aguiar (DA) - arredondados menor superfície específica, logo, menor consumo de ligantes
Principais Propriedades da Areias de base
4) Granulometria  média ponderada dos grãos observados  método padronizado pela AFS (sequência de peneiras)  MÓDULO DE FINURA
Principais Propriedades da Areias de base
Principais Propriedades da Areias de base
5) Expansibilidade quanto a areia se expande com o aumento de temperatura  ideal  baixa expansibilidade  
Sílica  alta expansibilidade  baixo custo  justifica o uso
Sílica vítrea  baixa expansibilidade  uso em fundição de precisão.
Principais Propriedades da Areias de base
Sílica
Silício  abundante na crosta terrestre, densidade ~2,6 g/cm³
Composto principalmente de quartzo que se funde a 1728 ºC que apresenta polimorfismo.
Expansão uniforme até 573ºC  mudança abrupta de volume (expansão)  quartzo α para quarzo β.
Outras transformações (quarzo β ↔ tridimita ↔ cristobalita  mais difícil ocorrer.
Sílica
Estas transformações são as principais desvantagens no uso da sílica.
Além disto, pode ocorrer reatividade com alguns metais (ex. ferro)  interpenetração do metal líquido entre os grãos de areia.
Partículas finas  provocar silicose!!!!
Sílica amorfa
A partir do estado líquido da sílica  não consegue se cristalizar com facilidade no resfriamento  estrutura amorfa (sílica vítrea na temperatura ambiente).
Estável e com baixo coeficiente de expansão em qualquer temperatura (amorfa)
Amorfa  não muda de fase 
Moldes com necessidade de estabilidade dimensional
Zirconita
Silicato de zircônio  ZrO2 . SiO2 
Minério puro  67 % de zircônio e 32 % de sílica, sendo a temperatura de fusão de 2550 ºC  densidade 4,7 g/cm³
Areias de praia de vários lugares no mundo  Brasil, no espírito Santo
pH ácido (4,7) , areia dura e grãos arredondados
Zirconita
Baixo coeficiente de dilatação térmica e sem mudanças de fases no ciclo térmico  estabilidade térmica.
Indicada para aços (aço não molha a zirconita)
Custa mais que a sílica (até porque ocorre menos na crosta).
Mais densa  pesa mais para mesmo volume.
Olivina 
Ortossilicato de ferro e magnésio  
(2 MgO. SiO2 ) + (2 FeO. SiO2) 
Coloração verde  origem do nome
Mineral frágil e sujeito a transformações polimórficas
Menor coeficiente de dilatação que o quartzo, mas maior que a zirconita e cromita.
Usada em muitos países para aços especiais.
Chamote 
Originada pelo beneficiamento de argilas cauliníticas  calcinação, britagem e classificação granulométrica
Boas areias de chamote  ponto de fusão e densidade ~ da sílica
Difusividade térmica baixa
Menor expansibilidade que a sílica e olivina
Chamote 
Indicada para minimizar defeitos devido à expansão  interessante para peças grandes
Alto custo  somente quando é indispensável minimizar riscos de defeitos de expansão
 
Referências complementares:
FERREIRA, J. M. G. C. Tecnologia da Fundição. Editora Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa, 1999.
TORRE, J. Manual prático de fundição e elementos de prevenção da corrosão (Traduzido para o Português). Editora Hemus, São Paulo, 2004.
BEELEY, P. Foundry Technology. Editora Butterworth Heinemann (2ª ed.), Oxford, 2001.
	REFERÊNCIAS
BALDAM, R.L.; VIEIRA, E.A. Fundição: Processos e tecnologias correlatas. Editora Érica, São Paulo, 2013.
Capítulos: 
6 itens – até 6.2.1 (inclusive)