Entendendo a Areia de Fundição: Tipos, Propriedades e Papel na Fundição em Areia

O que é Areia de Fundição?

Areia de fundição, também conhecida como areia de fundição, é areia que, quando umedecida e comprimida, oleada ou aquecida, tende a compactar bem e manter sua forma. É usada no processo de fundição em areia para preparar a cavidade do molde.

A principal matéria-prima usada na moldagem é a areia de fundição porque fornece várias características principais que podem não ser obtidas de outros materiais. A areia de fundição é definida como partículas granulares resultantes da quebra de rochas, devido à ação de forças naturais, como geada, vento, chuva, calor e correntes de água. Rochas têm uma composição complexa e a areia contém a maioria dos elementos das rochas.

Devido a esta razão, a areia de fundição difere consideravelmente em diferentes partes do mundo. Na natureza, é encontrada no fundo e margens de rios e lagos. A areia de fundição é classificada em diferentes categorias de acordo com a natureza de sua origem.

Os principais constituintes das areias de fundição são os seguintes:

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

Areia Natural / Areia Verde

Também é chamada de areia verde e é coletada de recursos naturais. Contém água como único aglutinante. Tem a vantagem de manter o teor de umidade por longo tempo, tendo uma ampla faixa de trabalho de teor de umidade, permitindo fácil remendo e acabamento de moldes.

A areia verde é um agregado de areia, argila bentonita, carvão pulverizado e água. Seu uso principal é na fabricação de moldes para fundição de metais. A maior parte do agregado é sempre areia, que é frequentemente uma mistura uniforme de uma forma de sílica.

Existem muitas receitas para a proporção de argila, mas todas atingem diferentes equilíbrios entre moldabilidade, acabamento superficial e a capacidade do metal fundido quente de desgasificar. O carvão, tipicamente referido como carvão marinho, presente na proporção de menos de 5%, combustiona parcialmente na superfície do metal fundido levando à liberação de vapores orgânicos.

A fundição em areia é uma das formas mais antigas de fundição praticada devido à simplicidade dos materiais envolvidos. Ainda permanece uma das maneiras mais baratas de fundir metais por causa da mesma simplicidade. Outros métodos de fundição, como aqueles usando coquilha, ostentam uma qualidade superior de acabamento superficial, mas têm custo mais alto.

A areia verde (como outras areias de fundição) é geralmente alojada no que trabalhadores de fundição se referem como "caixas de molde" (flasks), que nada mais são do que caixas sem fundo ou tampa. A caixa é dividida em duas metades que são empilhadas juntas em uso. As metades são referidas como cope (superior) e drag (inferior) respectivamente.

Nem toda areia verde é verde em cor. Mas considerada "verde" no sentido de que é usada em estado úmido (semelhante à madeira verde). Segundo o site da Cast Metals Federation, um método alternativo de fundição é secar a areia moldada por calor antes de verter o metal fundido. Este processo de fundição em areia seca resulta em um molde mais rígido, mais adequado para fundições mais pesadas.

Areia Sintética

É areia artificial obtida pela mistura de areia relativamente livre de argila, aglutinante (água e bentonita) e outros materiais conforme necessário. É uma areia de fundição melhor, pois suas propriedades podem ser facilmente controladas variando o conteúdo da mistura.

A composição da areia verde sintética para fundição de aço é a seguinte.

Areia de sílica nova — 25%, areia velha — 70%, Bentonita — 1,5%, Dextrina — 0,25%, e umidade — 3 a 3,5%.

A composição da areia sintética seca para fundição de aço é a seguinte.

Areia de sílica nova — 15%, areia velha 84%, Bentonita — 0,5%, e umidade — 0,5%.

Além disso, existem certas variedades de areias especiais como Zirconita, Olivina, etc. Estas areias especiais são mais caras que a sílica e, portanto, usadas apenas onde seu uso é justificado.

Tipos de Areia de Fundição

As areias de fundição também podem ser classificadas em vários tipos de acordo com seu uso: areia de apoio, areia de núcleo, areia seca, areia de face, areia verde, areia de barro (loam sand), areia de separação, areia de sistema.

1. Areia de apoio ou areia de chão

Areia de apoio ou areia de chão é usada para apoiar a areia de face e é usada para preencher todo o volume da caixa de molde. Areia de apoio é às vezes chamada de areia preta porque a areia de fundição velha, usada repetidamente, é preta devido à adição de pó de carvão e queima ao entrar em contato com o metal fundido.

2. Areia de núcleo

Areia de núcleo é usada para fazer núcleos e às vezes também é conhecida como areia de óleo. Areia de núcleo é areia de sílica altamente rica misturada com aglutinantes de óleo, como óleo de núcleo, que é composto de óleo de linhaça, resina, óleo mineral leve e outros materiais aglutinantes. Piche ou farinhas e água também podem ser usados em núcleos grandes por economia.

3. Areia seca

Areia verde que foi seca ou assada em um forno adequado após a fabricação do molde e núcleos é chamada de areia seca. Possui mais resistência, rigidez e estabilidade térmica. Areia seca é usada principalmente para fundições maiores. Molde preparado nesta areia é conhecido como molde de areia seca.

4. Areia de face

Areia de face forma a face do molde. É próxima à superfície do modelo e entra em contato com o metal fundido quando o molde é vazado. O revestimento inicial ao redor do modelo e, portanto, para a superfície do molde, é dado pela areia de face. Areia de face tem alta resistência e refratariedade. Areia de face é feita de areia de sílica e argila, sem o uso de areia já usada.

Diferentes formas de carbono são usadas na areia de face para evitar que o metal queime na areia. Uma mistura de areia de face para areia verde de ferro fundido pode consistir de 25% fresco e especialmente preparado e 5% carvão marinho.

São às vezes misturadas com 6 a 15 vezes mais areia de fundição fina para fazer faces. A camada de areia de face em um molde geralmente varia entre 20-30 mm. De 10 a 15% de toda a quantidade de areia de fundição é a areia de face.

5. Areia verde

Areia verde também é conhecida como areia temperada ou natural, que é uma mistura recém-preparada de areia de sílica com 18 a 30% de argila, tendo teor de umidade de 6 a 8%. A argila e a água fornecem a ligação para a areia verde. É fina, macia, leve e porosa.

Areia verde é úmida quando apertada na mão e retém a forma e a impressão dada a ela sob pressão. Moldes preparados por esta areia não requerem apoio e, portanto, são conhecidos como moldes de areia verde.

Areia verde é facilmente disponível e possui baixo custo. Areia verde é comumente empregada para a produção de fundições ferrosas e não ferrosas.

6. Areia de barro (Loam sand)

Areia de barro é uma mistura de areia e argila com água até uma pasta plástica fina. Areia de barro possui alto teor de argila, tanto quanto 30-50% e 18% de água. Modelos não são usados para moldagem em barro e a forma é dada ao molde por espátulas (sweeps). Areia de barro é particularmente empregada para moldagem em barro usada para grandes fundições de ferro cinzento.

7. Areia de separação

Areia de separação sem aglutinante e umidade é usada para evitar que a areia verde grude no modelo e também para permitir que a areia se separe na superfície de separação do cope e drag sem grudar. Areia de separação é areia de sílica limpa e livre de argila que serve o mesmo propósito que o pó de separação.

8. Areia de sistema

Em fundições mecanizadas onde moldagem por máquina é empregada. Areia de sistema é usada para preencher toda a caixa de molde. Em unidades de preparação e manuseio de areia mecânica, areia de face não é usada. A areia usada é limpa e reativada pela adição de água e aditivos especiais.

Isto é conhecido como areia de sistema. Como todo o molde é feito desta areia de sistema, propriedades como resistência, permeabilidade e refratariedade da areia de fundição devem ser mais altas que as da areia de apoio.

Propriedades da Areia de Fundição

As propriedades básicas requeridas na areia de fundição e areia de núcleo são adesividade, coesividade, colapsibilidade, fluidez, resistência seca, resistência verde, permeabilidade, refratariedade, descritas a seguir.

1. Adesividade

Adesividade é uma propriedade da areia de fundição de grudar ou aderir a material estranho, como areia de fundição grudando na parede interna da caixa de molde.

2. Coesividade

Coesividade é a propriedade da areia de fundição em virtude da qual as partículas de grão de areia interagem e se atraem dentro da areia de fundição. Assim, a capacidade de ligação da areia de fundição é aprimorada para aumentar as propriedades de resistência verde, seca e quente da areia de fundição e núcleo.

3. Colapsibilidade

Após o metal fundido no molde solidificar, o molde de areia deve ser colapsível para que a contração livre do metal ocorra e isso naturalmente evitaria o rasgo ou trinca do metal em contração. Na ausência da propriedade de colapsibilidade, a contração do metal é impedida pelo molde e resulta em rasgos e trincas na fundição. Esta propriedade é altamente requerida em núcleos.

4. Resistência seca

Assim que o metal fundido é vazado no molde, a umidade na camada de areia adjacente ao metal quente evapora e esta camada de areia seca deve ter resistência suficiente para manter sua forma a fim de evitar erosão da parede do molde durante o fluxo de metal fundido. A resistência seca também previne o alargamento da cavidade do molde causado pela pressão metallostática do metal líquido.

5. Fluidez ou plasticidade

Fluidez ou plasticidade é a capacidade da areia de se compactar e comportar-se como um fluido. Fluirá uniformemente para todas as porções do modelo quando compactada e distribuirá a pressão de compactação uniformemente em todas as direções.

Geralmente, partículas de areia resistem a mover-se ao redor de cantos ou projeções. Em geral, a fluidez aumenta com a diminuição da resistência verde e vice-versa. A fluidez aumenta com a diminuição do tamanho do grão de areia. A fluidez também varia com o teor de umidade e argila na areia.

6. Resistência verde

A areia verde após a água ter sido misturada nela, deve ter resistência e tenacidade suficientes para permitir a fabricação e manuseio do molde. Para isso, os grãos de areia devem ser adesivos, ou seja, devem ser capazes de se fixar a outro corpo e, portanto, grãos de areia com alta adesividade grudarão nas laterais da caixa de molde.

Além disso, os grãos de areia devem ter a propriedade conhecida como coesividade, ou seja, a capacidade dos grãos de areia de grudar uns nos outros. Em virtude desta propriedade, o modelo pode ser retirado do molde sem quebrá-lo, e também a erosão das superfícies da parede do molde não ocorre durante o fluxo de metal fundido.

A resistência verde também depende da forma e tamanho do grão, quantidade e tipo de argila e teor de umidade.

7. Permeabilidade

Permeabilidade também é denominada como a porosidade da areia de fundição a fim de permitir a fuga de qualquer ar, gases ou umidade presentes ou gerados no molde quando o metal fundido é vazado nele. Todos estes gases gerados durante o vazamento e processo de solidificação devem escapar, caso contrário, a fundição se torna defeituosa.

Permeabilidade é uma função do tamanho do grão, forma do grão, e teores de umidade e argila na areia de fundição. A extensão da compactação da areia afeta diretamente a permeabilidade do molde. A permeabilidade do molde pode ser ainda aumentada por ventilação usando hastes de ventilação.

8. Refratariedade

Refratariedade é definida como a capacidade da areia de fundição de suportar altas temperaturas sem se decompor ou fundir, facilitando assim a obtenção de fundição saudável. É uma característica altamente importante das areias de fundição. A refratariedade só pode ser aumentada até um limite.

Areia de fundição com refratariedade pobre pode queimar na superfície da fundição e nenhuma superfície de fundição lisa pode ser obtida. O grau de refratariedade depende do SiO2, ou seja, teor de quartzo, e a forma e tamanho do grão da partícula.

Quanto maior o teor de SiO2 e mais rugosa a composição volumétrica do grão, maior é a refratariedade da areia de fundição e areia de núcleo. A refratariedade é medida pelo ponto de sinterização da areia, não pelo seu ponto de fusão.

9. Propriedades diversas da areia de fundição

Além dos requisitos acima, a areia de fundição não deve grudar na fundição e não deve reagir quimicamente com o metal. A areia de fundição precisa ser economicamente barata e facilmente disponível na natureza. Precisa ser reutilizável por razões econômicas. Seus coeficientes de expansão térmica precisam ser suficientemente baixos.