Os processos de moldação em areia



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Tecnologia de fundição:”Os processos de moldação em areia”

Índice





  • Prólogo




Pág. 2

  • Objectivo




Pág. 3

  • Introdução a história da fundição




Pág. 3

  • Descrição sumária da fundição




Pág. 5

  • Introdução

  • Moldação em areia verde

  • Moldação em areia seca

  • Moldação por vácuo

  • Moldação em areia aglomerada com resinas

  • Moldação em areia aglomerada em silicatos/fosfatos


Pág. 6


Pág. 8

Pág. 10


Pág. 11
Pág. 12
Pág. 15

  • Conclusão




Pág. 16

  • Bibliografia




Pág. 17

Prólogo


Este trabalho foi elaborado com o intuito de melhorar os conhecimentos sobre os processos de moldação em areia existente.

Actualmente, e devido a evolução das novas tecnologias, existe um grande número de peças que são feitas através deste processo.

Objectivo
O objectivo deste trabalho consiste em descrever na íntegra os processos de moldação em areia. Este estudo foi realizado através de pesquisa bibliográfica e pesquisa na Internet.

Introdução a história da fundição




 10 000 A.C

- Descoberta dos metais (Au)

 4 500 A.C

- Nascimento da fundição




- Descoberta de Sn: material mais duro e mais útil

 2 000 A.C

- Egipto: utilização de cera perdida

(Investment Casting)






- Utilização da areia como material de moldação

 1 000 A.C

- China: primeiras peças obtidas em Fe

 500 D.C

- Índia: primeiras peças fundidas em aço

 Séc.XIV

- Fundição no mundo ocidental (objectos artísticos e armamentos)

 Séc.XIX

- Advento da Revolução Industrial

(moldação em areia verde e estudo das caixas de moldação)


Descrição sumária da fundição


A fundição é um processo tecnológico que consiste em obter peças com a forma final pretendida ou com forma aproximada da final, por vazamento de uma liga metálica fundida numa cavidade com forma adequada, próxima da forma fêmea de que se pretende obter. [1]

Como anteriormente referido, o objectivo fundamental da fundição é dar a forma adequada ao metal, vertendo-o na cavidade de um recipiente designado por molde, o qual tem a forma desejada, isto é, a forma da peça que se pretende obter. [2]

As peças fundidas podem variar desde fracções de centímetros e baixo peso até vários metros e várias toneladas. Este tipo de tecnologia tem sérias vantagens na produção de peças de forma complexa, peças com secções côncavas ou com cavidades internas, peças muito grandes e peças feitas a partir de materiais difíceis de maquinar. Devido a estas vantagens, a fundição é um dos mais importantes processos de produção.

Hoje em dia, é quase impossível desenhar qualquer peça que não possa ser fundida por qualquer tipo de tecnologia de fundição existente. Contudo, como em todas as técnicas de produção, os melhores resultados a baixo custo são atingidas se o projectista compreender as várias opções e desenhar as peças para serem utilizadas pelo processo mais apropriado e de maneira mais eficiente. Os vários processos de fundição diferem principalmente no material em que o molde é feito (areia, metal ou outros materiais) e no método do vazamento.


Fig. 1 – Fundição em areia verde

PROCESSOS DE MOLDAÇÃO EM AREIA

Introdução
A moldação é a peça que vai ser preenchida com metal para se obter a peça pretendida. Para suportar as elevadas temperaturas de vazamento do metal, a moldação tem de ser feita de um material refractário, que na maioria dos casos é areia.

Além da areia ser um material refractário, ela é também barata.

As moldações em areia são moldações não permanentes, uma vez que depois do vazamento, da solidificação e do arrefecimento do metal, destrói-se a moldação. A areia é geralmente recuperada, depois de limpa e seleccionada, voltando a utilizar-se noutras moldações.

As areias de moldação têm que comportar-se de um modo adequado ás diferentes fases que atravessam uma fundição durante o ciclo do seu processamento. Assim temos:

Moldação e transporte para o local de vazamento

Nesta fase importa que a areia seja moldável, ou seja, que seja fácil imprimir-lhe forma e que ela retenha, devendo dar uma superfície de moldação lisa e que não agarre ao molde. Além disso necessita de ter a resistência necessária para manter a forma e para suportar os machos durante o manuseamento e transporte para o local de vazamento.


Vazamento

Nesta fase, a areia vai ser submetida a um aquecimento muito intenso e não uniforme que pode provocar não só a fusão da areia e/ou reacções desta com o metal vazado, como também a sua dilatação não homogénea, susceptível de originar defeitos na peça vazada.


Fig. 2 - Vazamento

Solidificação e arrefecimento da peça na moldação

Nesta fase, a peça contrai. Para impedir uma eventual fissuração desta, a areia existente no seu interior não pode impedir a contracção da peça, deformando-se sem opor grande resistência.


Abate da moldação

Para que este se faça rapidamente, sem grande dispêndio de energia e sem perigo de danificar as peças vazadas, a areia de moldação e dos machos deve ter pouca resistência, para que estes e aquelas se desfaçam completamente.


Recuperação da areia

Por uma razão de economia, a areia deve ser tanto quanto possível recuperável, o que implica não ter perdido completamente as suas propriedades e seja fácil de desterroar. [1]


Do que atrás se expôs sumariamente ressalta claramente que se exige qualidades antagónicas da areia em fases diferentes do seu circuito, em particular no que se refere à resistência, elevada antes e durante o vazamento, baixa durante o abate.
Processos de calcação da areia – moldação manual, mecanizada e automatizada.

Fig. 3 - Fundição

Para adquirir uma moldação em areia, com a forma e a resistência adequada, é necessário proceder à sua calcação que pode ser feita manualmente – caso da moldação de muito pequenas séries ou de certas peças de grandes dimensões – ou por meio de máquinas.

Os processos de calcação mecanizados podem reduzir-se a quatro, que se usam isolados ou combinados: por compressão, por choque ou inércia, por projecção e por sopragem.

A calcação por compressão pode efectuar-se com calcadores pneumáticos ou por meio de máquinas de moldação por compressão.

A calcação por choque ou inércia efectua-se em máquinas cujo prato (local onde se monta a placa-molde) sofre consecutivas quedas livres seguidas de retorno à posição inicial. No final de cada queda, o prato estaca de repente. A areia, pela sua inércia, tende a continuar a cair, comprimindo a areia subjacente.

Geralmente este tipo de máquinas por sacudidas ou vibração têm um segundo prato que comprime a areia pelo lado oposto à placa-molde realizando-se assim uma calcação mista – por compressão e choque.

A calcação por projecção é feita por máquinas disparadoras de areia – Sand-slingers – que tem uma turbina que projecta a areia com grande velocidade contra o molde. A areia ao estacar, em virtude da sua inércia fica compactada.

A calcação de sopragem consiste em arrastar areia através de uma forte corrente de ar comprimido, ficando retida no molde. Por esta técnica conseguem-se obter moldações ou machos de formas complexas. [1]

Existem diferentes tipos de processos de moldação em areia, destacando-se os seguintes:

 Moldação em areia verde

 Moldação em areia seca

 Moldação em areia sem ligantes

(também designado por moldação por vácuo)

 Moldação em areia aglomerada com resinas

 Moldação em areia aglomerada com silicatos/fosfatos




Moldação em areia verde

A areia verde é o material mais utilizado, constituído por areia aglomerada por uma argila apropriada e água, e com alguns aditivos.


Fig. 4 – Areia


Características:

 Baixo preço;

 Elevada velocidade de produção;

 Baixo impacto ambiental – a areia pode ser reciclada

 Pode ser automatizada;

 Indicado para qualquer número de peças.


O processo de moldação em areia verde é responsável por mais de 60% da produção mundial de fundidos. [3]

No momento do vazamento, este tipo de moldação contem um certo teor em humidade.

Trata-se de um processo de moldação relativamente barato, flexível e facilmente adaptável aos métodos de produção automatizada. Porém, as moldações em areia verde não são tão resistentes como outros tipos de moldação podendo mesmo em certas circunstâncias, deteriorar-se durante o transporte e manipulação. Por outro lado, uma vez que o processo de moldação “em verde” requer um determinado teor em humidade para a aglomeração de areia pelas partículas de argila, podem durante o vazamento produzir-se libertações gasosas susceptíveis de originar defeitos nas peças fundidas.

Para impedir o surgimento de porosidades na peça, pode remover-se a água existente à superfície da moldação por meio de uma tocha de queimador a gás, insuflação de ar quente ou de uma fonte de infravermelhos – moldação em “areia seca à pele”.

Para garantir a suavidade da superfície da moldação – a sua pele – e impedir o arrancamento da areia, usam-se produtos sob a forma de suspensões – “sprays” de moldação – que revestem aquela superfície com uma protecção refractária. Em geral, são constituídos por uma mistura de água com um material refractário, contendo um ligante tal com a beutonite, por exemplo. [4]

Na figura apresenta-se de forma esquemática uma moldação em areia verde.


Fig. 5 – Moldação em areia verde



Legenda:

  1. Gito de descida ou canal de vazamento

  2. Caixa de moldação superior

  3. Pino de fecho do conjunto das caixas

  4. Canal de distribuição

  5. Canal de ataque

  6. Caixa de moldação inferior

  7. Areia de moldação

  8. Suporte/apoio da moldação

  9. Suportes de machos

  10. Plano de apartação

  11. Prenso do macho

  12. Arrefecedor

  13. Pesos

  14. Alimentadores abertos

  15. Macho



OBSERVAÇÕES:

5- Canal de ataque: derivação que conduz o metal do canal de distribuição até à cavidade.

12- Arrefecedor: elemento metálico inserido numa moldação de areia para acelerar localmente o arrefecimento.

14- Alimentador aberto: alimentador em contacto com o ar.


Moldação em areia seca

Uma areia de moldação preparada com um ligante que não requer humidade para adquirir a resistência necessária é denominado moldação em areia seca.

A areia seca é o material alternativo da areia verde, constituída por areia aglomerada com resinas fenólicas, misturado com uma catalisadora.
Características:

 Preço elevado;

 Baixa velocidade de produção;

 Elevado impacto ambiental – é difícil de reciclar;

 Pode ser automatizado mas é mais lento que as moldações em areia verde;

 Elevada rigidez e precisão dimensional;

 Boa colapsabilidade.
É um processo de moldação, mais aplicado à obtenção de peças de dimensões médias a grande, uma vez que este tipo de moldações são mais rígidas e resistentes que as realizadas em areia verde.

As moldações em areia seca suportam melhor as operações de manipulação, transporte e vazamento, Por outro lado, podem estar expostas ao ar por períodos de tempo relativamente longos sem se deteriorarem.

Os principais componentes de uma moldação em areia seca são, para além da areia de base, o pês, melaço, dextrina, gilsonita, e uma resina. O conjunto é estufado a uma temperatura de 150 a 315ºC para se obter a resistência elevada e a rigidez que caracterizam este tipo de moldação. A areia de base é geralmente de granulometria mais grosseira que a utilizada nas moldações em areia verde com o objectivo de facilitar a ventilação natural e secagem da moldação.

As moldações em areia seca são geralmente revestidas com pinturas refractárias, soluções aquosas (ou de outros solventes) com grafite, sílica ou zircónio.

Como já referimos anteriormente, as moldações em areia seca apresentam como vantagens as de resistirem bem a erosão dinâmica e estática provocada pelo metal e suportarem melhor o ciclo de manipulação e transporte. O seu custo é evidentemente mais elevado que o das moldações em areia verde já que há a considerar os acréscimos devidos aos componentes.

Moldação por vácuo – “V PROCESS”

Fig. 6 – Moldação por vácuo


O processo de moldação por vácuo é um processo de moldação em areia no qual não são utilizados ligantes ou aglomerantes. A areia é posicionada entre duas folhas finas de plástico e aí mantida pela aplicação de vácuo.

O processo foi inicialmente desenvolvido pelos japoneses em 1971 para a obtenção de peças com forma complicada, como por exemplo objectos decorativos em alumínio e bronze. Tem tido apreciável sucesso e a sua aplicação tem-se generalizado para obter peças fundidas em diversos países de todos os metais que têm sido vazados em moldações convencionais de areia verde.

Os filmes plásticos utilizados são de materiais termoplásticos, sendo o mais vulgarmente aplicado acetato de vinilo-etileno co-polimerizado (EVA) 14 à 17% de acetato de vinilo.

Características:

 Quantidade reduzida de fumos e poeiras devido à não utilização de ligantes;

 Não é necessário a utilização de máquinas de moldação;
 Abate da moldação e reciclagem da areia são de grande simplicidade;

 Utilização de moldes semelhantes aos utilizados nos processos convencionais em areia verde;

 Desgaste reduzido dos moldes já que não há contacto directo com a areia;

 Acabamento superficial e rigor dimensional das peças fundidas são excelentes.


O processo de moldação por vácuo apresenta algumas limitações em termos de produtividade devido ao elevado número de passos da sua realização.

Processos de moldação em areia aglomerada com resinas

Neste parágrafo vamos fazer um breve apanhado dos processos de aglomeração de areias por meio de resinas orgânicas. Apesar de existirem uma grande variedade de resinas utilizadas como ligantes, os processos podem ser classificadas em função da temperatura de endurecimento e da natureza dos reagentes envolvidos.


Fig. 7 – Criação de um molde


Processos de aglomeração e endurecimento sem estufagem – “NO – BAKE PROCESSES”


Baseia-se na cura e no endurecimento à temperatura ambiente por reacção de dois ou mais constituintes ligantes depois de misturados com a areia.

A cura inicia-se imediatamente após a mistura de todos os componentes do sistema, havendo um período de tempo durante o qual a mistura da areia é moldável, após o que endurece e já não poderá ser removida da caixa de moldação. Este intervalo de tempo pode ir de alguns minutos até várias horas, o


que depende dos componentes utilizados, agentes endurecedores, tipo de areia de base e sua temperatura.
Moldação em carapaça (ou em casca) – “SHELL MOLDING”
Designa-se assim uma moldação de pequena espessura feita com uma mistura de areia siliciosa e de um aglomerante adequado – resina sintética – rapidamente endurecida por aquecimento a uma temperatura relativamente elevada.

Este processo, vulgarizado pela designação anglo-saxónica de “Shell-molding ”, surgiu durante a segunda Guerra Mundial e deve-se a um alemão, Johannes Croning, sendo inicialmente e por este motivo conhecido por processo C.


O processo descrito está esquematicamente representado na figura:


A B C D E F


Fig. – Shell-molding: passos principais da obtenção de uma moldação.


Legenda:

  1. Placa-molde

  2. Aquecimento

  3. Projecção da areia

  4. Formação da casca

  5. Ejecção

  6. Conjunto de moldação

Uma moldação completa pode ser feita de duas ou mais partes que depois são serão agrupados. Para aumentar a sua resistência durante o vazamento, as moldações em carapaça são por vezes acamadas em areia mais grossa, gravilha ou esferas metálicas.


Este processo apresenta as seguintes vantagens:

 Fabricação de moldações de forma intricada;

 As máquinas não exigem a remoção da areia no final de um ciclo produtivo;

 O tempo de armazenamento de moldações pode ser elevado;

 Pode ser usado uma grande variedade de areias;

 Praticamente todos os metais e ligas têm sido vazados em moldações de “Shell”;

 Têm sido obtidas tolerâncias bastantes apertadas;

 Menores exigências de “Design”;

 É possível vazar peças de menor secção/espessura e temperatura mais baixa que em areia verde;

 Cavidades interiores de pequena dimensão (diâmetro 6mm e profundidade 12mm) têm sido obtidas com bons resultados;

 É possível obter peças de muito boa qualidade superficial mediante a utilização de areia muito fina.
O processo apresenta também algumas desvantagens:

 Placas-molde relativamente caras;

 Investimento adicional na máquina de moldação;

 Limitações em termos de dimensões;

 Aumento de custo, comparativamente à moldação em areia verde, devido à resina ligante;

 Uma série relativamente elevada de peças é requerida para justificar a escolha e investimento no processo.


 Processos de caixa quente – “HOT BOX”

Nos processos de caixa quente –“hot box” – ou caixa tépida – “warm box” – um ligante termo-endurecível e um ácido catalisador são misturados com a areia seca (ficando a mistura “húmida”) e enviados para uma caixa (de machos) onde o conjunto é aquecido a uma temperatura compreendida entre 220 e245ºC, produzindo-se rapidamente o endurecimento (10 a 30 segundos).

As resinas utilizadas nos processos de “hot box” são dos tipos furânicas ou fenólicas e os catalisadores à base de cloretos e nitratos.

As resinas têm um tempo de vida limitado e a sua viscosidade aumenta com o tempo de armazenamento, que deve ser feita sempre em local fresco. Enquanto que o tempo de vida dos catalisadores é, em princípio, ilimitado.

O processo de caixa quente com resinas furânicas ou fenólicas tem sido muito utilizado na indústria automóvel para a produção de machos de forma complicada e moldações que requerem boa resistência para o vazamento de peças em ferro fundido cinzento.
Processos de caixa fria – “COLD BOX”
A designação caixa fria refere-se à cura e endurecimento, à temperatura ambiente, de uma mistura de areia com um agente ligante, a qual é acelerada pela passagem de uma corrente de um vapor ou gás catalítico através da mistura.


Moldação em areia aglomerada em silicatos/fosfatos

A areia utilizada neste tipo de moldação é constituída por areia aglomerada com um silicato de sódio que é posteriormente endurecida pela passagem, ocorrendo o endurecimento à temperatura ambiente. Este tipo de moldação é indicado para peças de grandes dimensões ou de formas complexas.



Características:

 Baixo custo;

 Baixa velocidade de produção;

 Elevado impacto ambiental – é difícil de reciclar;

 Pode ser automatizado mas é mais lento que as moldações em areia verde;

 Muito baixa colapsabilidade;

 Indicado para pequenas e grandes séries.

Conclusão


Os processos de moldação em areia são hoje em dia dos mais utilizados na indústria de produção de peças em metal, mas isto claro, desde que justifique os investimentos, já que estes são bastantes dispendiosos.

Estes tipos de moldação utilizam diversos tipos de metais e não tem grandes limitações no que respeita a tamanho, forma e peso assim como se pode adaptar a pequenas e grandes séries de produção.

Algo que é de destacar neste processo é a vantagem de não haver perda de material, uma vez que a sucata que provem dos sistemas de gitagem, da alimentação e da maquinagem pode ser reutilizado, embora tenha a desvantagem de a precisão dimensional destes processos ser baixa.

Desta forma podemos concluir que através de este trabalho conseguiu-se chegar a um estudo um pouco mais aprofundado no que respeita a processos de moldação em areia, desde a descoberta dos metais até à sua evolução actual.

Bibliografia
Capa - http://www.lindsaybks.com/bks/foundry
[1] A.Barbedo de Magalhães, Teresa Duarte, Rui Lemos Neto, Ana Reis; Sebenta da disciplina de Tecnologia de Fundição; Departamento da Licenciatura em Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia da universidade do Porto; 2002/2003.
[2] http://www.isq.pt/modulform/modulos/c8a.html
[3] http://www.electroncorp.com/library/processes.html

[4] Desenvolvimento de moderna tecnologia na moldação em areia verde; Kuenkel Wagner; Fundição nº 177; Nov/1989.


[5] - http://www.foundry-casting.com.uk/green-sand-casting.html
[6] - http://www.azkast.com/about.html
[7] - http://www.unicastdesign.com/images/hdt-cores-shop1.jpg
[8] - http://members.aol.com/vsculpture/othersculptures.html
[9] - falta – Maria
[10] - http://an-si-web.angers.ensam.fr/ENSAM/ressources/fonderie/pages/V_process.htm
[11] - http://www.dmi-castings.com/sand.htm
[12] - falta – Maria


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