Areia de Moldar em Fundição Metalúrgica: Tipos, Constituintes e Características

Definição de Areia de Moldar

A matéria-prima principal na moldagem é a areia de moldar, pois fornece várias características importantes não obtidas de outros materiais. Areia de moldar é definida como partículas granulares resultantes da decomposição de rochas pela ação de forças naturais: geada, vento, chuva, calor e correntes de água. Rochas têm composição complexa e a areia contém a maioria dos elementos das rochas.

Por isso, a areia de moldar difere consideravelmente em diferentes partes do mundo. Na natureza, encontra-se no fundo e margens de rios e lagos. Classifica-se em categorias segundo a natureza de sua origem.

Constituintes principais das areias de moldar:

• Sílica (SiO₂) — 86 a 90%
• Alumina (Al₂O₃) — 4 a 8%
• Óxido de ferro (Fe₂O₃) — 2 a 5% com menores quantidades de óxidos de Ti, Mn, Ca e alguns compostos alcalinos.

Areia Natural

Também chamada de areia verde, coletada de recursos naturais. Contém água como único aglomerante. Vantagem: mantém teor de umidade por longo tempo, ampla faixa de trabalho de umidade, permite fácil retificação e acabamento de moldes.

Areia Sintética

Areia artificial obtida misturando areia relativamente livre de argila, aglomerante (água e bentonita) e outros materiais conforme necessário. É melhor porque suas propriedades são facilmente controladas variando a composição da mistura.

Composição de areia sintética verde para fundição de aço: Areia de sílica nova — 25%, areia velha — 70%, Bentonita — 1,5%, Dextrina — 0,25%, umidade — 3 a 3,5%.

Composição de areia sintética seca para fundição de aço: Areia de sílica líquida — 15%, areia velha — 84%, Bentonita — 0,5%, umidade — 0,5%.

Existem areias especiais como Zirconita, Olivina, etc., mais caras que a sílica, usadas apenas quando justificadas.

Tipos de Areia de Moldar

Segundo seu uso, classificam-se como:

(i) Areia Verde (Green Sand)

Areia em seu estado natural (mais ou menos úmida). Mistura de areia de sílica com 18 a 30% de argila e 6 a 8% de água. Argila e água dão resistência de ligação. É fina, macia, leve e porosa. Por ser úmida, retém a forma dada sob pressão. À medida que o molde adensa pela compactação, a estrutura é tornada porosa por ventilação. Arestas vivas são evitadas na moldagem em areia verde, pois são fracas e quebram quando metal quente é vazado. Usada para fundições pequenas ou médias. Maior produção por área de piso, pois economiza custo e tempo de secagem. Pó de carvão é misturado para prevenir defeitos.

(ii) Areia Seca (Dry Sand)

Empregada para fundições grandes. Moldes preparados em areia verde são secos/assados para remover quase toda a umidade. A estrutura nas caixas após secagem torna-se mais forte e compacta. Ventilação necessária, mas menos que em areia verde. Para moldes grandes e pesados, misturam-se esterco de vaca, cavalos, etc., com areia de grãos mais grossos.

(iii) Areia de Barro (Loam Sand)

Mistura de argila e areia moída com água até pasta plástica fina, a partir da qual moldes são construídos sobre base de tijolos macios. Contém até 50% de argila e seca dura. Contém argila refratária. Deve ser suficientemente adesiva para aderir a superfícies verticais da estrutura rugosa do molde. Palha picada e esterco são usados para auxiliar na ligação. Teor de umidade: 18 a 20%. Seca-se muito lenta e completamente antes de vazamento. Usada para fundições grandes de forma regular (panelas químicas, tambores, etc.).

(iv) Areia de Revestimento (Facing Sand)

Usada diretamente junto à superfície do modelo, em contato com o metal fundido. Submetida às condições mais severas, deve ter alta resistência e refratariedade. Feita de areia de sílica e argila, sem adição de areia usada. Diferentes formas de carbono (pó de plumbago, chumbo de Ceilão, grafite) impedem o metal de queimar na areia. Às vezes misturam-se com 6 a 15 vezes areia de moldar fina para fazer revestimentos. Camada de areia de revestimento: 20 a 30 mm. Compreende 10 a 15% do total de areia do molde.

(v) Areia de Reforço (Backing Sand)

Areia de moldar velha, repetidamente usada, preta pela adição de pó de carvão e queima ou contato com metal fundido. Conhecida como areia de reforço, areia de piso ou areia preta. Usada para preencher o molde atrás da camada de revestimento. Fraca em resistência de ligação porque arestas dos grãos tornam-se arredondadas pela alta temperatura do metal fundido e queima do teor de argila.

(vi) Areia de Sistema (System Sand)

Usada em moldagem por máquina para preencher todo o flask. Sua resistência, permeabilidade e refratariedade devem ser superiores às da areia de reforço.

(vii) Areia de Partição (Parting Sand)

As caixas de moldar são separadas para não aderirem espalhando areia fina, seca e aguda chamada areia de partição. Também evita que a areia verde grude no modelo. É areia de sílica limpa, livre de argila. Areia de núcleo queimada também serve.

(viii) Areia de Núcleo (Core Sand)

Para fazer núcleos. Areia de sílica misturada com óleo de núcleo (óleo de linhaça, resina, óleo mineral leve e outros aglomerantes). Por economia, piche ou farinha e água podem ser usados para núcleos grandes.

(ix) Areia CO₂

Grãos de sílica, em vez de revestidos com argila natural, são revestidos com silicato de sódio. A mistura é compactada ao redor do modelo e endurecida passando CO₂ pelos interstícios por cerca de um minuto. A areia endurece e produz molde forte.

(x) Areias de Casca (Shell Sands)

Areias sintéticas revestidas com resinas fenol ou uréia-formaldeído e curadas contra modelo aquecido para produzir casca fina e muito forte. Não requer areia de reforço. Como ligas solidificam a altas temperaturas, as resinas não se dissociam. Mas os moldes desintegram-se quando a fundição solidificou devido à quebra da ligação química pelo calor da fundição solidificante.

(xi) Areias de Revestimento (Facing Sands) — repetição

Geralmente, areia de revestimento é aplicada primeiro no modelo, para que só ela contate o metal fundido. É refratária o suficiente para não fundir e queimar no contato.

(xii) Areias de Reforço (Backing Sands) — repetição

Aplicadas como suporte mecânico de reforço à areia de revestimento. São permeáveis para permitir escape de gases.

(xiii) Lavagens de Molde (Mould Washes)

Suspensões de grãos cerâmicos finos. Aplicadas sobre superfícies do molde para minimizar fusão dos grãos de areia de revestimento. Também produzem superfície mais lisa na fundição por preencher interstícios.

Principais Constituintes da Areia de Moldar

Sílica, argila (aglomerante) e umidade são os três constituintes principais. Sílica na forma de quartzo granular (ela mesma uma areia) é o constituinte principal. Areia de sílica contém 80 a 90% de óxido de silício, caracterizada por alta temperatura de amolecimento e estabilidade térmica. Confere refratariedade, resistência química e permeabilidade.

Especifica-se segundo tamanho e forma. Grãos podem ser finos, médios ou grossos quanto ao tamanho; arredondados, semi-angulares ou compostos quanto à forma. Areia fina para fundições pequenas e complexas; grãos finos ficam próximos, permeabilidade ruim. Areia média para bancada e trabalho leve de piso. Partículas grossas para fundições grandes permitem escape de gases.

Tamanho de grão determinado por peneiramento. Grãos arredondados têm menor contato e falta de resistência; permeabilidade alta. Sub-angulares: menos permeáveis que arredondados. Angulares com arestas definidas: mais resistência, menos permeabilidade. Compostos (grumos duros): não preferidos.

Óxido de silício obtém-se de rochas de quartzo ou decomposição de granito (quartzo e feldspato). O feldspato decomposto torna-se argila, que confere plasticidade à areia de moldar no estado úmido (ligação necessária e resistência na presença de umidade; aumenta resistência após secagem). Normalmente, teor de argila em areia de sílica varia de 6 a 10%.

Argila consiste de silte fino (depósito mineral sem propriedade de ligação) e argila fina, que confere resistência de ligação necessária para o molde não perder forma após compactação. Porém, diminui permeabilidade. Excesso de argila causa trincas no molde após secagem.

Óxidos de ferro, magnésia, soda, potassa, cal e água são outras substâncias na areia de moldar. Boa areia contém impurezas abaixo de 2%. Moldagem em areia verde usa areia de baixo teor de umidade (3 a 5%). Em moldagem em areia seca, mais água está presente na fabricação do molde, pois beneficia a resistência de ligação a seco após armazenamento.

Muitas vezes adiciona-se pó de carvão, que torna a areia mais aberta e ajuda a resfriar o molde após vazamento. Absorve grande quantidade de calor, evitando superaquecimento e fusão dos grãos. Também libera CO₂, cuja película protetora mantém metal e areia separados.

A Fig. 3.17 mostra quatro tipos de grãos de areia. O sucesso da fundição depende muito da resistência à compressão, permeabilidade (taxa de fluxo de gás através de corpos de prova sob pressão diferencial especificada), deformação, fluidez (habilidade da areia fluir ao redor e sobre o modelo durante compactação) e refratariedade. A Fig. 3.18 mostra como o teor de umidade (para dada razão areia-argila) afeta todas essas propriedades importantes.