Revestimentos semipermanentes para a fundição de latão em coquilha

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O tema central deste trabalho é um revestimento cerâmico para a fundição de latão em coquilha. As propriedades deste material e as vantagens atribuídas a ele são abordadas a seguir.

Volker Hofmann

Data: 20/10/2016

Edição: FS Outubro 2016 - Ano 26 - N^o 286

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O processo de fundição de latão em moldes permanentes

Neste caso, são utilizados moldes permanentes (ou coquilhas) com divisão vertical, confeccionados em cobre ou suas ligas.
Os processos empregados são a fundição por gravidade com basculamento e a fundição a baixa pressão, que têm uma aceitação cada vez maior na produção de peças em séries maiores.
Para a realização dos contornos internos, são utilizados machos de areia.
O molde permanente é aquecido um pouco acima de 100°C, o que elimina a umidade no substrato ou na pintura. Em seguida, ele é revestido.
O molde é alimentado com metal fundido, conforme o tipo do processo. Devido à boa condução térmica dos moldes e sua alta capacidade térmica, a solidificação dos fundidos é rápida, o que se reverte em uma boa produtividade.
Após a extração da peça, o molde é resfriado em água, para a obtenção da temperatura desejada para o vazamento (90°C a 130°C).
O banho de água é enriquecido com grafite, na porcentagem de 8% a 25%.
Neste processo de resfriamento, o molde é simultaneamente revestido. No entanto, este tipo de aplicação do revestimento não é controlável, o que levou à prática da pulverização de desmoldante após cada vazamento.
Depois do revestimento, da secagem e do condicionamento térmico para aproximadamente 100°C, o molde fica disponível para o próximo vazamento.

A aplicação do desmoldante na fundição de latão e de alumínio

A maior diferença entre a fundição de latão e de alumínio em moldes permanentes, em termos do controle do processo, reside nas temperaturas empregadas e no seu controle.
No caso do latão, o banho fundido fica aproximadamente 300°C mais quente, enquanto a temperatura do molde permanente no início do vazamento é 200°C a 350°C mais fria do que na fundição do alumínio.
As variações da temperatura do molde entre os ciclos de vazamento são indesejáveis na fundição do alumínio em coquilha.
Por meio dos parâmetros de processo e, eventualmente, do aquecimento do molde permanente ou dos elementos de resfriamento, procurase manter as temperaturas no molde o mais constante possível.
Na fundição de latão, após a desmoldagem ocorre um resfriamento do molde permanente em água, para aproximadamente 100°C.
Além do enorme efeito do resfriamento, também não se deve subestimar a contaminação química por meio da água.
O gradiente indicado é a diferença entre a temperatura da coquilha e a temperatura do metal fundido.
Portanto, a pintura do molde em contato com o metal fundido é confrontada com uma diferença de temperatura superior a 800°C entre os metais.
Na fundição de latão em coquilha, são formados depósitos de zinco metálico, ao contrário da fundição de alumínio. Eles prejudicam o comportamento de fluidez e o enchimento do molde. Um sistema de pintura permanente deve melhorar isso.

O desmoldante

A função principal da pintura à base de grafite reside no efeito de separação entre o metal líquido ou solidificado (peça fundida) e o molde, assim como na melhora da desmoldagem.
A pintura é aplicada após cada vazamento.
A pintura à base de grafite oferece boas propriedades de enchimento do molde, devido à sua estrutura superficial e ao seu efeito isolante, que não pode ser melhorado significativamente pela espessura da camada.
Os mecanismos do efeito isolante apenas pela rugosidade superficial da camada valem especialmente para o grafite de boa condutividade térmica. A transmissão de calor por meio desta pintura não é controlável; ela é considerada um desmoldante.
A suspensão de grafite é pulverizada em enormes quantidades. Uma grande parte não pode ser eliminada de modo controlado, contaminando o ambiente e o equipamento. A contaminação por pó fino é significativa.
Em algumas amostras, foi medida uma porcentagem de 80% de partículas em nanoescala (< 0,1 mm).
O objetivo aqui é substituir este desmoldante por um revestimento cerâmico durável, com efeito isolante ajustável.

O revestimento cerâmico

Trata-se de composições complexas de aglomerante(s) e uma mistura de matérias sólidas cerâmicas.
Já os desmoldantes apresentam diferentes composições, de acordo com a função prevista do revestimento. Isso vale tanto para os revestimentos na fundição de alumínio, como de latão em moldes permanentes.
Em ambos os casos, procura-se obter um tempo de vida útil o mais longo possível. A diferença reside principalmente nas diferentes solicitações às quais o revestimento é exposto, e nos métodos utilizados para a obtenção da sua resistência.
Uma atenção especial deve ser dada às temperaturas empregadas na fundição de latão, tendo em vista que o revestimento é aplicado em uma temperatura muito baixa, devendo secar e endurecer em seguida. Assim, é possível suportar as solicitações durante o enchimento do molde, sem liberar qualquer umidade.
As pinturas usuais de silicato de sódio não são apropriadas para esta finalidade, uma vez que devem ser aplicadas em temperaturas elevadas, para liberar completamente a água combinada.
Elas devem suportar temperaturas do banho fundido superiores a 1000°C.
O revestimento cerâmico apresentado possui uma mistura de aglomerantes, diferindo dos revestimentos tradicionais.
A partir daqui, ele será chamado de revestimento BC, de binder coating ou revestimento cerâmico (figura 1).
No caso da aplicação deste revestimento, a temperatura do molde permanente deve ser de 130°C, para que o sistema fique completamente isento de umidade residual.
A sinterização do aglomerante nanocerâmico ocorre no primeiro contato com o banho fundido, após o alcance da temperatura de 350°C-400°C. Ele não libera nenhum produto de reação ou umidade.
Todos os ingredientes são resistentes a temperaturas elevadas.
Uma vez que o molde permanente é resfriado no banho de água depois de cada vazamento, faz-se necessário contar com uma tensão oscilante contínua, que resulta da expansão e contração do metal em torno de 0,5% durante as alterações abruptas da temperatura. O revestimento permanece relativamente rígido.
As contaminações químicas são completamente diferentes.
É imprescindível observar que na fundição de alumínio, não há oxigênio disponível para o banho fundido durante a definição da pintura; isso é menos importante na fundição de latão.
Entretanto, também ocorre uma imersão do molde revestido na água de resfriamento, o que gera uma nuvem de gás de zinco que precede o banho fundido, particularmente na fundição a baixa pressão.
A imersão no banho de água resulta em um umedecimento da camada, além da contração abrupta. A umidade não pode penetrar ou deve evaporar rapidamente, mesmo em temperaturas ao redor do ponto de ebulição.
Componentes solúveis em água não são permitidos no revestimento. Uma propriedade hidrofóbica oferece boa proteção.

A evaporação de zinco

A evaporação de zinco é um fenômeno de segregação na fundição de latão, o qual não ocorre na fundição de alumínio.
A evaporação de zinco é um fenômeno de segregação na fundição de latão, o qual não ocorre na fundição de alumínio.
Durante o enchimento na fundição a baixa pressão, o vapor de zinco precede o banho fundido, condensando na superfície fria do molde. As camadas têm uma aparência cinza escura (figura 2a), o que leva a crer se tratar de uma camada de óxido de zinco.
Quando os depósitos são examinados no microscópio, nota-se que eles têm uma aparência metálica brilhante. As análises feitas via espectroscopia de raios X por dispersão de energia mostraram que nos depósitos havia gotas de zinco e chumbo metálicos (figura 2c).
Trata-se de depósitos metálicos quase puros (figuras 2b/d).
Uma camada porosa é impregnada e enriquecida pelos gases metálicos.
No revestimento BC, os metais são depositados na superfície. Com um novo enchimento do molde, tem-se a fusão ou fervura das camadas, o que prejudica o enchimento. Além disso, ocorre uma descoloração fosca amarelada das peças fundidas.
A camada de zinco oferece um prejuízo mais agravante para as propriedades de enchimento do molde. Ela determina o seu tempo de vida útil de maneira decisiva.
No caso da utilização de desmoldantes, há um atraso no jateamento do molde, pois os depósitos são cobertos por uma camada de matéria sólida após cada ciclo de vazamento. Um efeito antiaderente em relação às camadas apenas é possível teoricamente, pois a rugosidade da camada anula o efeito repelente.
Com cavidades texturizadas, é possível obter uma rugosidade de 0,3 a 1 mm, para garantir uma rugosidade superficial eficaz, apesar dos depósitos de zinco e de seus produtos de reação. Isso pode ser atribuído a uma boa ventilação.
Em camadas cerâmicas, é possível lavar os depósitos superficiais com um agente de limpeza especial. Ele reage com o zinco, formando um composto solúvel em água, que é dissolvido e lavado no próximo resfriamento do molde em água. Os compostos são classificados como inofensivos.
O agente de limpeza é modelado de modo a permitir esta reação na coquilha quente.

Modo de ação dos revestimentos cerâmicos

O revestimento BC é modelado considerando-se as solicitações e os parâmetros do processo, para suportar a decomposição química ou térmica da fundição de latão em moldes permanentes.
A camada de zinco também se comporta de forma diferente no revestimento BC, permitindo uma remoção no processo ou no ciclo.
Com este revestimento, é possível alcançar um tempo de vida útil acima de 100 vazamentos. A isso somam-se as contramedidas contra o impacto da camada de zinco, que não são realizadas pelo próprio revestimento. Uma limpeza eficiente e sucessiva das camadas de zinco permite um tempo de vida útil ainda maior.
O revestimento BC forma um revestimento resistente de boa aderência nos moldes permanentes em temperaturas em torno de 120°C, não sendo necessário sinterizá-los antes do vazamento.
A sinterização ocorre depois do contato com o banho fundido e não resulta na liberação de umidade ou gases.
Por meio da composição de diferentes aglomerantes e matérias sólidas, a camada BC adquire uma rugosidade ideal e estável de longa duração, para garantir o enchimento do molde.
Outros ingredientes favorecem a desmoldagem.
O tempo de vida útil da pintura depende de diferentes grandezas de influência, mas principalmente dos efeitos da camada de zinco e das contramedidas correspondentes (figura 3).
O revestimento cerâmico BC também perde o seu efeito, eventualmente. Ele pode ser nebulizado várias vezes e, então, removido via jateamento e aplicado novamente, de modo semelhante a uma camada de grafite.
O seu efeito isolante é ajustável em função da escolha do produto e da técnica de aplicação. Isso evita defeitos de fundição, em especial trincas a quente.
Elas ocorrem durante a solidificação, sendo classificadas como déficits de volume, devido à contração de solidificação.
Um ajuste isolante atenua o choque de solidificação e as tensões do banho fundido em torno de 1000°C, no molde frio a ±100°C.
Em princípio, é possível evitar defeitos de solidificação por meio de uma aplicação inteligente e precisa. Em peças não sensíveis a trincas, é possível escolher um ajuste de alta condutividade térmica, para aprimorar o tempo de ciclo.
O efeito isolante de desmoldantes com teor de grafite é baseado na sua rugosidade superficial e na almofada de ar gerada.
As variações da espessura da camada, no entanto, têm pouco efeito.
O revestimento BC com ingredientes isolantes permite um ajuste eficiente do efeito isolante, mesmo por meio da espessura da camada. Ele oferece um revestimento estável de longo prazo, cujas funções podem ser ajustadas de acordo com a peça fundida, evitando-se defeitos de fundição.

Impactos sobre o ambiente de trabalho

Poucos quilogramas do revestimento BC substituem 1 t de suspensão de grafite.
A exposição das partículas sólidas no ambiente de trabalho, no equipamento e nos operadores é reduzida de modo correspondente.
Como o grafite possui uma porcentagem maior de pós finos em nanoescala, o possível risco é fortemente reduzido pela tecnologia BC.
Este revestimento não é dissolvido na água de resfriamento. Assim, a eliminação dos lodos de grafite pode ser dispensada.

Resultados na prática

Em uma fundição de acessórios hidráulicos, foi possível aumentar a quantidade de peças sem defeitos de 75 para 112 unidades/h, graças à eliminação das trincas. Isso corresponde a um aumento da produtividade de 50%.
As trincas foram evitadas em razão de um ajuste especialmente isolante do revestimento na seção do contorno. O rendimento foi alcançado em uma máquina de fundição em moldes permanentes a baixa pressão, com dois cabeçotes.
O aumento médio da produtividade nesta empresa alcançou 11,5%.
Na fábrica KL3, da empresa MIRA Casting Facility (acessórios sanitários), todas as instalações de fundição foram convertidas para o revestimento cerâmico BC tipo Nanocomp.
As vantagens mais marcantes foram a limpeza do ambiente de trabalho e do equipamento auxiliar de vazamento, o consumo extremamente baixo e o efeito isolante ajustável.
O efeito isolante do revestimento foi utilizado para reduzir as temperaturas do banho fundido. Também merece menção o fato das camadas serem extremamente finas, deixando transparecer a cor superficial do molde.
As interrupções da produção tornaram-se menores.
A água de resfriamento é limpa, sendo trocada uma vez por mês.