Fundição em areia – Processo, propriedades da areia, prós e contras

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Neste artigo, vamos nos aprofundar no processo moderno de fundição em areia, examinando como ele funciona e por que continua sendo uma das técnicas de fundição de metal mais usadas, mesmo milhares de anos após seu início.

O que é fundição em areia?

A fundição em areia, ou fundição moldada em areia, é um processo de fabricação de metal que utiliza matrizes feitas de areia para criar produtos de metal. A areia é facilmente moldável com objetos comuns. Depois de moldá-la como desejado, o metal fundido quente é despejado no molde. Quando o metal esfria, ele assume a forma do molde à medida que se solidifica. O produto final de metal é então extraído do molde de areia e passa por um acabamento antes de ser colocado em uso.

Usando a técnica de fundição em areia, é possível fabricar produtos de todos os tamanhos e níveis de complexidade. Ela pode ser usada para fundir itens tão pequenos quanto alfinetes ou tão grandes quanto locomotivas ferroviárias. Além disso, ele é compatível com um ampla gama de metaisincluindo ferro fundido, ferro maleável, aço, ligas de níquel, ligas de cobre, ligas de alumínio e ligas de magnésio.

Sua versatilidade faz com que a fundição em areia seja o processo de fundição mais usado no mundo, com mais de 60% de todos os produtos de metal fundido sendo feitos usando esse método.

Propriedades da areia de moldagem

Embora existam muitos tipos diferentes de areias para escolher, nem todas são adequadas para o processo de fundição. Cada uma delas apresenta certas características que podem ou não se alinhar aos requisitos do projeto.

Dependendo do processo de fundição e do metal, é necessária a combinação certa de propriedades na areia de moldagem. Para aumentar a coesão, podem ser adicionados aditivos e aglutinantes especiais à mistura básica de areia, argila e água.

Esses aglutinantes, que podem ser orgânicos ou inorgânicos, incluem cereais, piche moído, carvão marinho, gilsonita, óleo combustível, farinha de madeira, farinha de sílica, óxido de ferro e perlita, entre outros. Alguns desses aglutinantes têm efeitos contraditórios, mas as compensações são frequentemente necessárias para equilibrar as propriedades para aplicações específicas de fundição.

O quatro tipos mais comuns de areia usados para fundição são areia verde, areia seca, silicato de sódio e areia de resina:

1. Areia verde é chamada assim porque é essencialmente areia crua misturada com água. Ela apresenta uma consistência semelhante à da argila. A areia verde oferece uma opção de baixo custo para areia de fundição com boa capacidade de reutilização e é compatível com altas taxas de produção. Entretanto, sua baixa maleabilidade pode causar o colapso do molde em determinadas situações. Ela também tem a tendência de criar defeitos na superfície.
2. Areia secapor outro lado, é uma areia de moldagem que usa argila e contém muito pouca água como agente aglutinante. Ela mantém sua forma muito bem quando colocada no lugar. Uma vantagem da areia seca é que ela cria muito pouco vapor durante o estágio de enchimento, o que, no caso de areias mais úmidas, pode levar à fratura do molde se não for controlada.
3. Silicato de sódiotambém conhecido como vidro de água, é uma areia especial que usa um aglutinante de silicato de sódio para integrar a areia. O silicato de sódio pode criar formas mais intrincadas ou complexas do que a areia verde e seca.
4. Areia de resina, também conhecido como Areia de furanoEla usa uma resina de álcool furfurílico para formar uma massa coerente a partir da areia. O composto robusto e altamente estável tem pouquíssima tendência a se decompor e proporciona excelente precisão dimensional e acabamento de superfície. No entanto, é a mais cara de todas as areias. Ela também tem um prazo de entrega mais longo.

Os engenheiros de fundição escolhem o tipo de areia com base no metal, na geometria do produto e nos limites de tolerância. Mas, independentemente das especificações, eles sempre selecionam um tipo de areia de acordo com as seguintes propriedades:

Refratariedade

Refratariedade é a propriedade de um material que permite que ele resista a choques térmicos e à queima quando submetido a altas temperaturas. A areia serve como um material refratário para o metal fundido e, portanto, precisa ter um alto ponto de fusão. A seleção da areia para fundição é amplamente influenciada pela temperatura do processo. Se a refratariedade for insuficiente, a areia derreterá e se fundirá à peça fundida.

Para muitos metais, como o alumínio, a areia só precisa suportar uma temperatura de 700 graus Celsius. Entretanto, as areias para fundição de aço precisam suportar pelo menos 1.500 graus Celsius, pois o ponto de fusão é mais alto.

Permeabilidade

A areia deve ventilar o vapor e outros gases gerados durante o processo de fundição. Cada unidade de água no molde produz 1.600 unidades de vapor.

Se os gases e o vapor ficarem presos, isso pode causar defeitos, como bolhas e buracos de gás no produto final. Sua remoção é fundamental para obter um acabamento de boa qualidade. Portanto, a permeabilidade é uma propriedade crucial da areia para se obter um produto final de alta qualidade.

As propriedades da areia de moldagem são influenciadas pelo tamanho e pela distribuição dos grãos: os grãos pequenos aumentam a resistência do molde, mas reduzem a permeabilidade, enquanto os grãos maiores aumentam a permeabilidade. Os grãos finos proporcionam um acabamento de superfície suave nas peças fundidas, mas têm baixa permeabilidade, enquanto os grãos grossos proporcionam maior permeabilidade, mas um acabamento mais áspero.

Alta condutividade térmica

A condutividade térmica é a propriedade de um material que permite que o calor flua através dele. Um fluxo de calor eficiente leva a um resfriamento mais rápido do metal fundido. Areias com alta condutividade térmica são necessárias para transferir o calor do metal fundido para a atmosfera.

Baixa expansão térmica

A expansão térmica é o aumento ou a diminuição do volume de um material quando o calor é adicionado ou removido, respectivamente. Para o processo de fundição em areia, é necessária uma areia com uma expansão térmica muito baixa. Esse tipo de areia manterá sua forma durante vários estágios do processo de fundição, incluindo o derramamento do metal líquido e o resfriamento subsequente.

Fluidez

A capacidade da areia de fluir para áreas menores, como cavidades, depressões e canais profundos do padrão, determina se podemos usá-la para fundir formas complexas. A areia com maior fluidez preencherá todas as características de um padrão sem exigir pressão externa.

Uma areia de alta fluidez não é necessária para formas simples, como uma tampa de bueiro, mas pode ser necessária para algo mais complexo, como uma escultura. O nível de fluidez necessário pode, portanto, ser determinado caso a caso.

Custo

O custo também pode variar significativamente de areia para areia. A areia de sílica, por exemplo, tem alta disponibilidade, mas também problemas como instabilidade dimensional e a tendência de queimar ou até mesmo explodir para formar partículas de tamanho submicrônico sob choque térmico. Silicose também é um problema extremamente preocupante, pois os trabalhadores ficam expostos à sílica por longos períodos. A areia de olivina e cromita, por outro lado, é mais cara e menos disponível, mas não apresenta os problemas mencionados acima.

O processo de fundição é direto para produtos simples. É criada uma cavidade com o formato desejado e o metal fundido é derramado nela por meio de um canal vertical. Depois que o metal se solidifica, ele é extraído removendo-se a areia do molde ao redor dele.

No entanto, com formas complexas, aspectos como o preenchimento do molde, a remoção do excesso de metal, a obtenção de um acabamento superficial de alta qualidade e a garantia da temperatura e da velocidade ideais do metal fundido para um preenchimento uniforme devem ser cuidadosamente considerados.

Vamos explorar um processo típico de fundição em areia com mais detalhes:

1. Criação do molde

O molde é criado usando um padrão, que é uma réplica do produto desejado. O padrão pode ser feito de um material ou processo diferente, como usinagem ou manufatura aditiva, mas tem o mesmo formato e as mesmas dimensões do produto final. Vários moldes podem ser criados usando um único padrão.

O padrão é separado em duas partes ao longo da linha central da forma. Em seguida, cada metade é colocada em caixas de areia separadas e a mistura de areia é colocada ao redor delas para criar impressões dos padrões na areia.

Depois que os padrões são removidos da areia, as duas caixas de areia são colocadas uma sobre a outra, fixando-as para formar o molde completo. A metade superior e a metade inferior são chamadas de cope e drag, respectivamente. A cavidade do molde assim gerada tem a forma negativa do produto. Por exemplo, uma saliência no produto final aparece como uma depressão no molde.

2. Criação de um sistema de passagem

O sistema de passagem fornece um caminho para que o metal fundido flua para a cavidade. Um sistema bem projetado pode ser crucial para a qualidade do produto. Um sistema de passagem eficaz é simples, eficiente e minimiza a turbulência. Ele também retém qualquer gás ou escória presente no metal fundido.

Os principais componentes do sistema de passagem que exigem um projeto cuidadoso incluem:

• Bacia de derramamento e canal de entrada – A bacia de vazamento serve como ponto de entrada em forma de funil para o metal fundido. O metal flui para o jito a partir da bacia de vazamento, movendo-se por gravidade em direção à cavidade.
• Corrediças – Os canais são canais horizontais para que o metal fundido chegue à cavidade da matriz a partir do jito.
• Portões – Os portões são os pontos de entrada da cavidade da matriz, garantindo um fluxo suave do metal fundido para dentro da cavidade da matriz, mantendo a pressão e evitando a formação de flashes. Elas também ajudam a impedir que qualquer escória entre na cavidade da matriz.
• Risers – Para neutralizar o encolhimento à medida que o metal esfria, os risers funcionam como reservatórios no sistema de gating, armazenando metal fundido extra. Quando o metal começa a encolher, os risers fornecem material adicional à cavidade, evitando a falta de metal.
• Núcleos – Quando um produto requer uma seção ou cavidade oca, um inserto de areia sólida chamado núcleo é colocado dentro da matriz para formar a cavidade pretendida. O metal fundido é preenchido ao redor do núcleo, criando a cavidade na fundição final. As chapas mantêm o núcleo no lugar durante a fundição.

3. Derramando o metal fundido

O metal fundido é derramado da parte superior para dentro da cavidade. O volume de metal usado excede ligeiramente o do produto para garantir que algum material em excesso seja armazenado nos risers.

4. Solidificação em fundição

Depois que a cavidade da matriz é preenchida, a fundição pode esfriar. O resfriamento natural ou forçado pode ser aplicado dependendo do metal e do processo. O resfriamento adequado é essencial para obter as propriedades desejadas e manter a precisão dimensional do produto final.

5. Agitação e recuperação de areia

A agitação é o processo de remoção das peças fundidas em areia do molde. A areia é sacudida e deslocada para separar a fundição solidificada, que é então enviada para as operações de acabamento final, enquanto se inicia a recuperação da areia.

Como nem toda a areia pode ser recuperada, parte da areia antiga é substituída por areia nova para futuros processos de fundição em areia. Para restaurar as propriedades da areia para reutilização, podem ser aplicados tratamentos mecânicos, químicos e térmicos, além de ajustes em sua composição para compensar a perda de umidade e aditivos.

Vantagens da fundição em areia

Apesar do desenvolvimento de muitas tecnologias avançadas nas últimas décadas, a fundição em areia continua sendo um dos processos mais populares de fabricação de metais. Suas vantagens exclusivas o tornam indispensável no cenário moderno de fabricação. Hoje, a fundição em areia é frequentemente automatizadaaumentando sua adaptabilidade e eficiência para atender às demandas dos ambientes de produção contemporâneos. Aqui estão algumas das principais vantagens que tornam a fundição em areia um processo tão valioso.

Adequado para todos os tipos de produção

A fundição em areia é compatível com várias configurações de produção, permitindo a produção de uma única peça, em lote ou em massa. Esse método é amplamente utilizado em setores como automotivo, defesa, agricultura, mineração, construção, saúde e energia renovável.

No setor automotivo, a fundição em areia é usada para desenvolver protótipos, blocos de motor, cabeçotes de cilindro e várias peças de motor IC. Sua aplicação também se expandiu para a fabricação de veículos elétricos, onde a fundição em areia é empregada para produzir componentes estruturais, carcaças de motores, carcaças de baterias e muito mais.

Há quase nenhuma limitação de tamanho também. Produtos que variam de alguns gramas a algumas toneladas de massa podem ser fundidos com precisão matemática.

Custo-benefício

Um dos principais fatores que levam vários setores a adotar a tecnologia de fundição em areia é o custo. A fundição em areia é significativamente mais econômica em comparação com outros processos de fundição. A areia pode ser reutilizada para futuras fundições com o mínimo de processamento.

O automação na produção de alto volume também reduz o custo por peça e garante uma qualidade consistente e confiável. A fundição em areia também incorre em baixos custos de ferramental em comparação com outros métodos de fundição.

Adequado para todos os metais

A fundição em areia pode funcionar com praticamente qualquer liga de metal ferroso ou não ferroso. Os exemplos incluem ouro, ferro, chumbo e titânio. A única exigência é que o metal derreta e flua como um metal líquido para dentro do molde. Essa flexibilidade permite que as fundições trabalhem com uma grande variedade de metais sem exigir modificações significativas no processo ou no equipamento.

Processo rápido

Embora processos como a fundição centrífuga possam ser mais eficientes para formas específicas, a fundição em areia oferece tempos de resposta rápidos tanto para protótipos quanto para aplicações em larga escala.

Limitações da fundição em areia

Todos os processos de fabricação envolvem compensações. No caso da fundição em areia, entretanto, essas compensações são mínimas em comparação com os benefícios. Vamos examinar algumas dessas limitações:

Acabamento superficial ruim

A má qualidade da areia e os desvios do processo podem, às vezes, resultar em um acabamento superficial ruim nas fundições em areia. Qualquer falha no molde de areia pode levar a uma superfície áspera. Para produtos que precisam de um acabamento de superfície de alta qualidade sem um pós-processamento extenso, a fundição sob pressão e a fundição por cera perdida são geralmente preferidas, mas a fundição em areia também pode produzir acabamentos refinados com a areia e os processos corretos.

O uso de areia de alta qualidade e mais fina proporciona um acabamento de superfície muito melhor, mas aumenta o custo do processo. A compactação ou empacotamento adequado das partículas de areia também ajuda a melhorar o acabamento da superfície. Para corrigir defeitos de superfície, como um acabamento excessivamente áspero, as peças fundidas em areia geralmente passam por operações de usinagem, como torneamento, retificação e jateamento.

Controle frouxo das taxas de resfriamento

Embora as taxas de resfriamento possam ser controladas de forma mais eficaz em muitos processos de fabricação de metal, o mesmo não pode ser dito sobre a fundição em areia. A areia, por ser um isolante, exacerba os desafios relacionados ao estágio de resfriamento. O estágio de resfriamento é consideravelmente prolongado na fundição em areia, afetando os prazos de entrega e as taxas de produção.

Pode ocorrer alguma variação na anisotropia da microestrutura devido à variação das taxas de resfriamento. A anisotropia refere-se às mudanças nas propriedades mecânicas resultantes de alterações na orientação dos grãos do material.

A formação de cavidades internas pode ser difícil

O método de fundição em areia requer a colocação de núcleos na cavidade do molde para formar cavidades internas. Por exemplo, ao fabricar um bloco de motor, as cavidades vazias para os cilindros do motor precisam ser criadas durante o processo de fundição.

A criação de câmaras internas, orifícios ou espaços dentro da cavidade do molde é um desafio, pois eles devem ser posicionados corretamente e adequadamente apoiados para suportar o processo de fundição. Quanto mais complexas forem essas cavidades, mais desafios precisarão ser superados.

É necessária mão de obra qualificada se o processo não for automatizado

Os processos automatizados podem ser caros. No entanto, sem automação, o processo depende de especialistas em fundição em areia para criar padrões, moldes e supervisionar o processo para garantir um produto de alta qualidade. Sem mão de obra qualificada, os resultados podem ficar significativamente abaixo dos padrões aceitáveis, resultando em perdas materiais e de reputação.

O descarte de areia pode ser um desafio

As fundições reciclam a areia de moldagem tanto quanto possível, mas após um número específico de ciclos, ela não é mais adequada para reutilização. No entanto, a areia residual das fundições é um contaminante prejudicial que pode levar a problemas ambientais.

A construção é um dos setores em que os resíduos de areia de fundição estão sendo desviados para descarte. Ela está sendo usada como substituta do agregado fino (areia) no concreto. Essa prática não só resolve a questão do descarte da areia, mas também reduz o custo e as emissões de carbono associadas à produção de concreto.

Mas, além disso, a maior parte dos resíduos de areia de fundição acaba em um aterro sanitário, o que certamente não é o ideal. As opções de reciclagem da areia de fundição são limitadas.

Conclusão

Apesar de a fundição em areia tradicional ser um processo antigo, ela passou por refinamentos notáveis, tornando-a altamente relevante e útil no cenário atual de fabricação. Sua popularidade é atribuída, em parte, à sua versatilidade em vários tipos de metais e tamanhos de produtos e, em parte, à eficiência de custo em comparação com outros processos de fundição.

As inovações em andamento na ciência dos materiais e na automação de processos expandem ainda mais a importância da fundição em areia em setores que vão do automotivo à construção civil. À medida que os setores evoluem, a fundição em areia continuará a moldar o cenário industrial, combinando tradição e inovação em técnicas de usinagem de metais.

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