Entendendo Moldes de Areia: Definições, Tipos e Fundamentos da Fundição Metálica

Definição de Moldes de Areia

Um molde de areia pode ser definido como um recipiente de areia pré-formado no qual metal fundido é vazado e deixado solidificar. Após a fundição, é removido do molde, que é geralmente destruído. O molde é preenchido vazando o metal fundido numa abertura no topo e passagens adequadas permitem o fluxo do metal a todas as partes por gravidade.

Fundições pequenas ou médias são geralmente feitas num flask — caixa retangular sem tampa nem fundo. O flask pode ser de duas ou três partes, mantidas alinhadas por pinos. É necessário grampear o flask antes de vazer o metal fundido, para evitar que o efeito de flutuação do metal levante a parte superior.

Classificação dos Moldes de Areia

Segundo o material usado, os moldes classificam-se em:

1. Moldes de areia verde
2. Moldes de pele seca (Skin-Dry)
3. Moldes de areia seca
4. Moldes ligados a cimento
5. Moldes metálicos

1. Moldes de Areia Verde (Green Sand Moulds)

Moldes em que há umidade na areia no momento do vazamento. Grãos mantidos juntos por argila úmida. Nível de umidade deve ser controlado cuidadosamente. Usados para fundir praticamente todas as ligas ferrosas. Disponíveis em muitos tipos; para moldes pequenos, médios e frequentemente grandes.

São os menos caros: material base mais barato. Maior produção por área de piso. Não requerem operações ou equipamentos de reforço, mas núcleos de areia seca são usados. Por serem mais moles que moldes de areia seca, permitem maior liberdade na contração quando as fundições solidificam e resfriam. Moldagem menos demorada. Desvantagens: menos resistentes, suscetíveis a danos no manuseio ou erosão pelo metal. Umidade na areia pode causar defeitos como sopros, buracos de gás. Não podem ser armazenados por longo tempo. Acabamento superficial não muito liso. Às vezes adicionam-se aditivos como pó de carvão ou materiais orgânicos — chama-se então moldagem em barro (loam moulding).

Tabela 3.5 mostra composição de areia verde para vários fins.

Três métodos comuns de moldagem em areia verde:

• (a) Método de Areia Aberta: Mais simples; molde feito no chão da fundição ou em leito de areia acima do nível do chão. Para fundições sólidas simples com topos planos. Após nivelamento, o modelo é pressionado no leito de areia. Caixa de moldar não necessária; superfície superior aberta ao ar. Bacia de vazamento numa extremidade, canal de transbordamento nas laterais da cavidade.
• (b) Método de Encaixe (Bedded-in): Necessário cope (cobertura de areia). Usado quando superfície superior da fundição não é plana. Modelo martelado na areia do chão ou num drag parcialmente cheio para formar cavidade. Topo do drag alisado e areia de partição espalhada. Cope colocado sobre modelo e compactado. Canais e alimentadores cortados; cope levantado. Modelo retirado, superfícies de drag e cope acabadas, cope recolocado para completar molde.
• (c) Método de Virada (Turn-Over): Comum para modelos sólidos e divididos. Metade do modelo colocada com lado plano em prancha de moldar, drag compactado e virado. Depois, cope sobre outra metade do modelo, compactado e virado. As duas metades do modelo sacudidas e retiradas. Cope colocado sobre drag para montar molde.

2. Moldes de Pele Seca (Skin-Dry Moulds)

Feitos de areia verde com secagem superficial. Em alguns casos, umidade seca da camada superficial da areia compactada até 25 mm de profundidade por aquecedor ou maçarico. Mais comuns em moldes grandes; para praticamente todas as ligas ferrosas e não-ferrosas. Menos caros que moldes de areia seca, mais que areia verde do mesmo tamanho. Vantagens: menos equipamento, materiais mais baratos, menos tempo de preparo, menos espaço que moldagem em areia seca. Porém, não tão resistentes quanto areia seca e não armazenáveis por longo tempo pois umidade pode migrar através da pele seca.

3. Moldes de Areia Seca (Dry Sand Moulds)

Feitos com areia que não requer umidade para desenvolver resistência. Mistura para trabalhos pequenos/médios: 13 partes areia de piso, 8 partes areia nova, 1 parte esterco de cavalo ou serragem. Para trabalho pesado: 11:9:1; extra pesado: 10:10:1.

Superfície do molde borrifada com água de melaço. Todas as partes assadas em forno a 150–300°C (até umidade expelida) para aumentar resistência, resistir à erosão e melhorar condições superficiais. Usados para muitas ligas, mais comum para fundições de aço. Em operações pequenas/médias. Para operações maiores, feitos em seções e montados após assar. Mais resistentes, manuseio mais fácil com menos danos, armazenáveis por mais tempo. Resistem à erosão do metal; defeitos por umidade eliminados. Desvantagens: material mais caro, mão de obra cara, operações, equipamentos e espaço extras.

4. Moldes Ligados a Cimento (Cement-Bonded Moulds)

Areia de sílica ligada com cimento Portland, seca ao ar. Mais comuns para trabalhos ferrosos muito grandes e moldagem em poço, onde assar é impossível. Alta resistência, todas vantagens de areia seca. Requer espaço extra para secagem ao ar. Materiais não reutilizáveis como outros moldes, processo caro.

5. Moldes Metálicos (Metal Moulds)

Usados para fundição sob pressão (die-casting), molde permanente e fundição centrífuga.

Alimentação de Metal em Moldes de Areia

Resolver problemas de alimentação, especialmente em fundições complexas em tamanho e forma, é o aspecto mais importante para garantir fundições sãs. Problemas surgem pela lenta taxa de abstração de calor de grande massa de metal, minimizando gradientes de temperatura e dificultando solidificação direcional rumo ao alimentador.

É fácil obter solidificação direcional com ligas de faixa de congelamento curta; difícil com faixa larga. Localização de alimentadores e risers para fornecer metal quente a seções mais grossas que podem isolar-se durante solidificação, e estabelecer gradientes térmicos inicialmente, é crucial. Às vezes gradientes são estabelecidos artificialmente com chills no molde, pastilhas isolantes e seções cônicas.

Cavidades de retração tendem a formar-se em seções como T e cruzamentos que demoram mais para solidificar (mais volume de metal, menor área para escape de calor). Solução: formas com volume de metal reduzido e área de escape de calor aumentada. Em cruzamentos, melhores resultados com: posicionamento escalonado das nervuras, furo com núcleo no centro, ou teia circular com paredes mais finas que nervuras retas. Deve garantir que última parte a solidificar será alimentada pelo alimentador. Projeto, dimensionamento e localização de alimentadores, comportas e canais é fundamental.

Problemas de alimentação são melhor resolvidos por experiência, mas algumas regras científicas e empíricas desenvolvidas com experiência servem como bom guia.

(i) Abordagem de Transferência de Calor (Efeito Raiz Quadrada do Tempo)

[Conteúdo não fornecido no original]

(ii) Regra de Chvorinov

Segundo a regra de Chvorinov, a espessura de uma pele uniforme... Assim, para qualquer forma onde as mesmas condições de contorno de interface valem, o tempo de solidificação é diretamente proporcional ao quadrado da razão volume/área superficial.

Para garantir que o metal no alimentador solidifique por último: [fórmulas omitidas no original]

Para mesmo volume, o tempo de solidificação aumenta progressivamente para as seguintes formas, em ordem, porque suas áreas superficiais para mesmo volume diminuem:

1. Chap
2. Barras
3. Cubóides
4. Cilindros curtos
5. Esferas

Embora a esfera teoricamente demore mais para solidificar, não é viável para alimentadores. Cilindro curto é o mais próximo e é cônico para facilitar moldagem.