Aditivo de areia controla o veiamento e elimina o uso de pinturas

Este trabalho descreve o desenvolvimento de um aditivo de areia que elimina a necessidade do uso de pinturas refratárias, proporcionando um fundido com excelente acabamento superficial. As suas vantagens foram comprovadas em ensaios práticos realizados em amostras em diversas condições.


Jaime Prat, Reinhard Stötzel e Ismail Yilmaz.

Data: 25/05/2017

Edição: FS Abril 2017 - Ano 27 - No 292

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O emprego de aditivos de areia para eliminar os veiamentos em fundidos com machos é bastante divulgado.

Eles geralmente são usados em conjunto com pinturas refratárias, que melhoram o acabamento superficial da peça e reduzem a penetração do metal. Ou seja, é necessário utilizar dois produtos e processos adicionais para a fabricação de peças de alta qualidade.

Para facilitar a vida do fundidor, agora ele conta com um produto único, que reúne os efeitos dos aditivos e pinturas em uma única substância.

Trata-se de um aditivo que consiste em uma cerâmica de alumina (silicato de alumínio) de baixa densidade, com uma pequena adição de agente de fluidez.

Este artigo descreve o desenvolvimento do novo aditivo e mostra as suas vantagens potenciais em relação à qualidade e aos custos.

Estado atual da técnica

Diversos materiais dos mais diversos tipos já foram utilizados como aditivos de areia, com o objetivo de evitar a formação de veiamentos.
Estes materiais incluem materiais orgânicos, como serragem, amido/dextrina e carvão betuminoso em forma de pó. Eles são efetivos com relação à redução de veiamentos, porém aumentam a formação de gases e podem contribuir para a penetração do metal, pois deixam lacunas entre os grãos de areia durante a queima.
Materiais inorgânicos também são utilizados como aditivos ou materiais de substituição da areia de quartzo. Entre eles, destacamse a areia de zirconita (silicato de zircônio), a areia de cromita, sílica da indústria de vidro e aditivos fabricados artificialmente, que apresentam menores taxas de expansão do que a própria areia de quartzo.
Os mesmos são utilizados normalmente em porcentagens relativamente pequenas, mas podem aumentar os custos da matériaprima consideravelmente.
Agentes de fluidez ou substâncias que reagem com a superfície da areia de quartzo e a alisam também foram utilizados com sucesso. O óxido de ferro vermelho, o óxido de ferro preto e outros óxidos metálicos são alguns exemplos.
Mais recentemente, foram desenvolvidos os aditivos de areia planejados (ESA). Eles são baseados nas propriedades de fluidez de minerais que existem na natureza, como o espodumênio (silicato de lítio e alumínio), a ilmenita (óxido de ferro e titânio) e metais alcalinos.
Estes materiais têm a vantagem de serem mais efetivos em aplicações difíceis, podendo ser utilizados em porcentagens relativamente pequenas (normalmente 2% a 8%).

A sua desvantagem principal consiste no fato de serem levemente básicos antes de utilizados, podendo se tornar fortemente básicos sob temperaturas elevadas. Isso exerce um efeito negativo em muitos sistemas de aglomerantes.
Outra desvantagem é que eles interagem com o metal líquido, podendo alterar as tensões superficiais, o que resulta em uma maior penetração do metal e em um acabamento superficial inferior.
O aditivo AS K I SO S EAL 2000 (denominado a seguir de ESA 2000), é baseado em um princípio totalmente diferente. Ele contém cerâmica de silicato de alumínio de baixa densidade, que entra em colapso ou deformação plástica durante o aquecimento, compensando a expansão de quartzo.
Simultaneamente, ele forma uma barreira contra a penetração do metal.
O aditivo ESA 2000 exerce um impacto mínimo sobre a composição química da areia e do metal, além de melhorar o acabamento superficial do fundido.
Se utilizado em porcentagens de até 50% em volume (20% em peso), ele ainda é capaz de alterar as propriedades térmicas da mistura de areia, de modo tal que a alimentação é melhorada e a contração é suprimida.
Isso evita a formação de veiamentos e resulta em um bom acabamento superficial, sem a necessidade do emprego de pinturas.
A prática também mostrou que na fabricação de machos com 50% de areia e 50% de aditivo, não há necessidade do emprego de pinturas.
O problema deste aditivo é que nem sempre é possível impedir a formação de veiamentos com a utilização de porcentagens inferiores a 10% (em peso) na mistura de areia.
No entanto, o emprego de uma alta porcentagem (20%) se torna dispendiosa, o que levou ao desenvolvimento de um outro aditivo baseado na cerâmica de alumina, o qual pode ser utilizado com sucesso em proporções abaixo de 10%.

Metodologia aplicada

O objetivo era o desenvolvimento de um novo aditivo de areia baseado na tecnologia da cerâmica de alumina, que impedisse a formação de veiamentos, mesmo se utilizado em proporções pequenas.
Inicialmente, foram realizados estudos para caracterizar uma série de diferentes matérias-primas.
Após a determinação das diferentes variantes de cerâmica de alumina, foram analisadas as suas composições químicas. Nesta ocasião, foram observadas grandes variações no teor de alumina e na quantidade de contaminações.
Os exames térmicos foram realizados em um microscópio de aquecimento Misura. Os resultados estão na tabela 1.
Cada amostra foi obtida por meio da compressão do material, para formar uma pastilha cilíndrica com 3 mm de diâmetro e 3 mm de altura, que foi colocada em uma base.
A partir das imagens registradas, foram traçadas as curvas das temperaturas de contração e as seguintes temperaturas características:

A partir disso, foram comparadas as composições químicas dos materiais de cerâmica de alumina e as temperaturas iniciais da contração.
Também foram realizados testes de formação de veiamento em corpos de prova, com o objetivo de determinar a correlação entre a formação de veiamentos e as propriedades térmicas (tabela 2).
Cada amostra de macho foi fabricada com 5% de cerâmica de alumina e 95% de areia de quartzo.
Conforme ilustrado na tabela 2, a tendência à formação de veiamentos é menor com uma temperatura inicial da contração decrescente.
As contaminações de sódio e potássio agem como agentes de fluidez na areia, provocando uma penetração maior e um acabamento superficial inferior.
Em seguida, foi examinada a influência dos diferentes tipos de agentes de fluidez sobre as amostras.
Os resultados revelaram que 6% de um agente de fluidez especial na amostra 77 resultaram em uma temperatura inicial da contração parecida.
No entanto, houve uma diminuição de 230°C da temperatura final da contração. Isso significa que a contração durante o processo de fundição seria iniciada mais rapidamente.
Para fins comparativos, também foi acrescentado carbonato de lítio na amostra de cerâmica de alumina 73.
Depois da constatação de que o comportamento da amostra 77 com 6% do agente de fluidez especial ficou mais parecido com as curvas de outros aditivos de areia bemsucedidos contra a formação de veiamentos, foram preparados corpos de prova para o aditivo ISO-SEAL 2011 (ou ESA 2011). A finalidade era avaliar a formação de veiamentos e penetrações.

Testes de fundição

Para a sua realização, foram fabricados machos com 94% da areia C-70 com cantos arredondados, 1,5% do aglomerante de resina fenólicauretânica para cold-box e 5% do aditivo ESA 2011 (94% da amostra de cerâmica de alumina 77 + 6 % de um agente de fluidez especial).
Os machos 2 x 2 foram colocados nos moldes, para o vazamento com ferro fundido cinzento.
Após a limpeza das peças, foi efetuada a avaliação da formação de veiamentos e do acabamento superficial em uma escala de 0-10 (em que 0 é o valor melhor e 10 é o pior).
A tabela 3 mostra os resultados.
Conforme revelado, não ocorreu nenhuma formação de veiamento com os 6% de carbonato de lítio acrescentados ao aditivo, independentemente da amostra de cerâmica de alumina utilizada.
Além disso, todas as peças fundidas apresentaram um excelente acabamento superficial.
No entanto, os corpos de prova feitos de machos sem aditivos (100% de areia), e aqueles com a utilização exclusiva de aditivos de cerâmica de alumina, apresentaram veiamentos consideráveis, com avaliação 10 ou 7.
Em seguida, foi examinado o efeito das proporções de carbonato de lítio em um aditivo baseado na cerâmica de alumina (amostra 77), assim como o efeito da quantidade de aditivos na composição da areia de moldagem. Os resultados estão resumidos na tabela 4.
Também foram realizados ensaios para comparar o aditivo escolhido com os dois sistemas de aditivos inorgânicos mencionados.
Após a confirmação dos resultados como satisfatórios, foi iniciada a realização dos testes industriais.
Neste caso, primeiramente foram focalizadas as fundições que utilizam a areia AFS GFN 70, a qual é normalmente empregada na moldagem vertical. Os testes foram continuados com outras areias mais grossas.
Todos os testes feitos com as areias utilizadas nas fundições foram satisfatórios, com uma única exceção.
Em discos de freio e na utilização da areia AFS GFN 55, foi observada uma leve formação de veiamento e penetração. Estes problemas foram eliminados com a alteração para a areia AFS GFN 65.

Efeitos do tempo de processamento

O aditivo aumenta o valor da demanda ácida da mistura de areia com temperaturas mais altas, o que reduz o tempo de bancada.
Isso pode ser combatido com a utilização de um aglomerante coldbox, que resulte em um maior tempo de bancada.

Formação de gás

O aditivo ESA 2011 não provocou nenhuma formação de gás adicional na comparação com a areia pura.

Efeito sobre a densidade do macho

Adições de 5% do aditivo ESA 2011 reduziram o peso do macho em torno de 10%.
Isso significa que é possível fabricar mais machos a partir do mesmo peso da mistura de areia. E esses machos são mais leves, sendo manuseados mais facilmente.

Efeitos do aditivo sobre a areia verde

Foi realizado um estudo de laboratório, em que os efeitos da solicitação térmica do macho foram simulados com a adição de uma porcentagem de 2,5% de aditivo na areia de moldagem.
Não foram observados quaisquer efeitos negativos (tabela 5).

Conclusão

Os exames realizados comprovaram que com o novo aditivo ESA 2011 é p ossível fabricar p eças fundidas isentas de veiamento e sem a aplicação de pinturas.
O tamanho do grão de areia é um fator crítico com pressões ferrostáticas de até 500 mm, ao passo que o tamanho das partículas é menos crítico com pressões ferrostáticas menores.
Os melhores resultados foram obtidos com a adição de 5% do aditivo ESA 2011 na areia 65/70 AFS GFN.
Resultados satisfatórios também foram obtidos com misturas de cromita, quando da produção de cabeçotes de cilindro grandes.
Isso cria a possibilidade de se fabricar machos para blocos de motor e cabeçotes de cilindro sem a aplicação de pinturas e defeitos de escama ou ocasionados por gases.