Novo método de teste para a caracterização de materiais de moldagem

Este artigo apresenta um método de teste com comando eletrônico, cujo desenvolvimento foi baseado em critérios como célula de carga de alta resolução e frequência de medição, além da possibilidade de acompanhamento da evolução da força/alongamento. Ele se destina à caracterização de materiais de moldagem, a exemplo da sua resistência à compressão, ao cisalhamento, à clivagem, à tração e à flexão.


Wolfram Volk é da Universidade Técnica de Munique (Alemanha), Hartmut Polzin é do Instituto de Fundição da Universidade Técnica de Bergakademie Freiberg (Alemanha), e Peter Schumacher é da Montanuniversitäte (Áustria). O artigo Umfassend Charakterisierung von Formstoffen mit einer neuen Prüfmethode foi originalmente publicado na revista alemã Giesserei no 9, de 2013, págs. 40 a 49. Reprodução autorizada pelo editor. Tradução de Themistocles Rodrigues Júnior.

Data: 03/03/2017

Edição: FS Janeiro 2017 - Ano 27 - No289

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Fig. 1 – Formação de trincas em uma amostra do material de moldagem de areia verde e teste de compressão e visualização 3D das trincas, via tomografia computadorizada

As propriedades dos materiais de moldagem, assim como a sua influência sobre os defeitos de fundição e a qualidade das peças fundidas, foram aprimoradas nas últimas décadas.

Devido à crescente automatização e pressão de custos, os testes regulares dos materiais de moldagem ganharam pouca atenção, embora sejam primordiais para uma produção seriada segura. Inclusive muitos defeitos de fundição podem ser atribuídos a um gerenciamento inadequado do material de moldagem. No entanto, a falta de conhecimento em relação a estes insumos não pode ser atribuída apenas às fundições.

Nos últimos anos, este tema também perdeu importância na formação acadêmica. Atualmente, quase não existem projetos de pesquisa relevantes, raras algumas exceções que valorizam a importância dos materiais de moldagem.

Por este motivo, é possível assegurar que os últimos desenvolvimentos relativos a eles e também aos agentes aglomerantes foram realizados principalmente pela indústria de fornecedores.

A atenção principal foi dada aos aglomerantes inorgânicos, visando à redução das emissões e odores, assim como aos aditivos, com vistas ao aprimoramento de determinadas propriedades.

Apesar de todos estes desenvolvimentos positivos, não foi levado em conta um aspecto fundamental: o teste dos materiais de moldagem, que até hoje é feito com aparelhos desenvolvidos há mais de 60 anos.

Fig. 2 – Aparelho de teste do material de moldagem da Jung Instruments, com representação das curvas de teste

Estes equipamentos, geralmente manuais, muitas vezes ainda são descritos como o “estado da técnica”.

Com o objetivo de aumentar os desenvolvimentos na área dos materiais de moldagem, faz -se necessário entender melhor as influências e a sua caracterização integral, valendo-se para isso de métodos de teste aprimorados.

O Instituto para Tecnologia de Fundição (IfG) e a Jung Instruments, ambos da Alemanha, reconheceram esta necessidade e desenvolveram um aparelho de teste moderno. Na mesma linha, o Instituto Austríaco de Fundição (ÖGI) iniciou um projeto de pesquisa de vários anos sobre o tema, levando em consideração os seguintes itens:

Fig. 3 – Tomografia computadorizada de uma amostra de areia

A seguir, é apresentado um novo teste para avaliar o material de moldagem e suas possibilidades, comparando-o com o teste convencional.

O material de moldagem e suas particularidades em relação ao teste mecânico

Em termos simplificados, o material de moldagem é composto de material de moldagem básico, aglomerante e aditivos.

Ao contrário dos materiais metálicos, que apresentam basicamente propriedades homogêneas e isotrópicas, o material de moldagem é granular e inomogêneo, sendo composto por numerosos grãos individuais com diferentes estruturas (tamanho, forma, superfície), conforme apresentado na figura 3.

Os grãos individuais são interligados por pontes de aglomerante (de natureza orgânica ou inorgânica), que também são responsáveis pela resistência e transmissão das forças.

O grande número de grãos ou pontes de aglomerante, assim como os aditivos adicionais e as forças de fricção e coesão, ocupam um papel importante na resistência do molde (figura 4).

Com o objetivo de registrar estas influências sobre as propriedades da mistura do material de moldagem, a técnica de medição e o teste devem apresentar uma sensibilidade correspondente.

Fig. 4 – Parâmetros de influência sobre a resistência mecânica de um molde

Durante o teste mecânico dos materiais de moldagem, as pontes de aglomerante são rompidas dependendo da solicitação de tração, compressão ou cisalhamento. Consequentemente, há um escorregamento dos grãos, o que resulta na ruptura do corpo de prova.

Estes processos ocorrem mesmo com forças pequenas, devido à sobrecarga local de pontes de aglomerante individuais.

Desta forma, um novo método de teste deve considerar isso e ser capaz de registrar e gravar as menores alterações de força/alongamento.

Teste convencional de materiais de moldagem

No teste convencional, primeiramente são produzidos corpos de prova padronizados, com diâmetro e altura de 50 mm, confeccionados com três golpes de compactação.

Fig. 5 – Aparelho de teste do material de moldagem (GF) operado manualmente, com unidade de alteração para ensaios da resistência à compressão (a); ao cisalhamento (b); à clivagem (c); e ao cisalhamento duplo (d)

Em seguida, são realizados testes de resistência à compressão a verde, à clivagem, ao cisalhamento, ao cisalhamento duplo, à tração a verde e à tração a úmido.

Para tanto, são utilizados aparelhos ainda operados manualmente ou equipados com servomotores.

Com o uso de insertos intercambiáveis para o alojamento das amostras, é possível realizar vários testes (figura 5).

Para a determinação da resistência à tração a úmido, que é extremamente sensível, e da compactabilidade, é necessário utilizar outros aparelhos (figura 6).

Uma desvantagem agravante dos aparelhos operados manualmente consiste na influência do operador, além da maior dispersão que os valores de teste podem apresentar.

Fig. 6 – Aparelho para o teste de tração a úmido com amostra (à esquerda/no meio) e teste de compactação (à direita)

Adicionalmente, nos métodos de teste convencionais só é possível registrar um valor máximo por meio do ponteiro de arraste; a evolução da força/alongamento não é registrada no teste de materiais metálicos, por exemplo.

A isso, soma-se a necessidade de transferir manualmente os valores medidos, os quais não podem ser adotados diretamente em um sistema de garantia da qualidade.

Assim, fica evidente que é preciso aproveitar as vantagens das técnicas mais modernas de controle e medição, também no caso dos materiais de moldagem, eliminando as desvantagens mencionadas.

Novo teste do material de moldagem

No teste dos materiais de moldagem, as forças aplicadas são muito pequenas (de 5 a 10 N na resistência à tração a úmido), em comparação com o teste de materiais metálicos.

Isso requer uma célula de carga que trabalhe de modo muito preciso e com alta frequência de memória, para registrar as menores influências e alterações da evolução da força/alongamento.

Fig. 7 – Máquina de teste de materiais de moldagem (Z005 Proline, Zwick), com carga nominal de 5 kN

Os seguintes critérios foram decisivos na escolha da máquina de teste:

Neste sentido, foi escolhida uma máquina de teste da marca Zwick, com carga nominal de 5 kN (figura 7).

Além disso, houve ainda os testes experimentais do material de moldagem feitos em uma instalação piloto da Zwick, os quais foram aprovados nos quesitos precisão da medição, reprodutibilidade e evolução das curvas de teste, em virtude da alta frequência de medição.

O alojamento e os insertos dos corpos de prova foram adotados dos aparelhos de teste convencionais e adaptados à máquina de teste da Zwick (figuras 8 e 9).

Fig. 8 – Dispositivos adaptados para o alojamento da amostra de ensaios da resistência à compressão (a); ao cisalhamento (b); ao cisalhamento duplo (c); e à clivagem (d)

Fig. 9 – Dispositivos adaptados para o alojamento da amostra de ensaios da resistência à tração a verde (a); à tração a úmido (b) e à flexão (c)

A adaptação do ensaio de tração a úmido mostrou-se especialmente sensível, o que foi resolvido por meio da programação da sequência de teste, com uma resistência elétrica atuando no primeiro estágio sobre o corpo de prova, e a realização do teste depois de um tempo definido.

Os parâmetros temperatura/tempo foram adotados do teste convencional com o aparelho GF.

Um primeiro protótipo já forneceu resultados de teste satisfatórios em relação à precisão e reprodutibilidade. Quando da publicação original deste artigo, estava sendo desenvolvido um dispositivo de teste industrial, em colaboração a empresa Zwick.

Nos testes executados com o comando eletrônico integrado, é possível realizar gravações utilizando-se para isso uma câmera de vídeo.

Fig. 10 – Evolução das curvas e das trincas no teste de resistência à clivagem e à compressão

A figura 10 ilustra esta possibilidade, tomando como exemplo curvas do teste de resistência à clivagem e à compressão. A partir delas, é possível examinar a relação entre o início e a evolução da trinca, assim como a solicitação.

As vantagens resultantes foram as seguintes:

Resultados do novo método de teste e comparação com o convencional

Para a comparação entre o novo método de teste e os convencionais, foram fabricadas seis misturas do material de moldagem, com 20 kg cada. Elas tinham diferenças básicas em seu teor de bentonita e água, com a finalidade de se interpretar a dependência das areias aglomeradas com bentonita.

Duas destas misturas foram acrescidas de carbono, para analisar o seu efeito no material de moldagem. Essa composição é apresentada na tabela 1.

Os respectivos componentes foram pesados indiv idualmente e preparados em um moinho de mós verticais (figura 11).

Fig. 11 – Produção da mistura de material de moldagem em um misturador de mós de laboratório

Pelo menos dez testes foram feitos com cada uma destas misturas, com o objetivo de se determinar a resistência à compressão a verde, à clivagem, ao cisalhamento duplo e à tração a úmido, tanto com o método convencional como com a máquina de teste da Zwick. A resistência à tração a verde foi testada apenas dessa última forma.

Os resultados com inclusão do valor médio e do desvio padrão são apresentados detalhadamente pelo exemplo da mistura 2 (tabela 2). Já os resultados resumidos de todas as misturas estão na tabela 3.

Fig. 12 – Curvas de resistência à compressão a verde, à clivagem, ao cisalhamento duplo, à tração a úmido e à tração a verde da mistura 4 + C (colunas azuis, valor médio de testes convencionais em aparelhos manuais)

A figura 12 mostra a representação gráfica das curvas de resistência à compressão a verde, à clivagem, ao cisalhamento duplo, à tração a úmido e à tração a verde, assim como as curvas do valor médio da mistura 4 + C.

Os valores médios determinados pelo teste convencional também estão indicados.

As famílias de curvas muito próximas uma da outra, que percorrem um trajeto ideal, demonstram a grande homogeneidade e reprodutibilidade das medições com a máquina de teste.

Com exceção da resistência à tração a úmido, observa-se uma excelente concordância do valor máximo das curvas de teste com o valor registrado no teste convencional. Conforme esperado, a resistência à tração a verde e a resistência à tração a úmido foram identificadas como as mais sensíveis, em função da força de teste ser pequena.

Também neste caso foi possível obter resultados satisfatórios e curvas de teste reproduzíveis, depois de alguns passos de otimização.

Os resultados obtidos com o novo teste do material de moldagem apresentam uma excelente correlação com aqueles dos aparelhos operados manualmente (figura 13).

Fig. 13 – Comparação entre o teste mecânico convencional do material de moldagem e o ensaio na máquina eletrônica

Apenas no ensaio de tração a úmido, que é sensível, foram constatados pequenos desvios, particularmente nas misturas de areia verde com baixa resistência (figura 12). O motivo foi atribuído ao aparelho GF utilizado, o qual forneceu valores muito baixos durante o teste.

No entanto, uma comparação com os resultados do teste da resistência à tração a úmido obtidos nas fundições mostrou uma excelente concordância com os valores da máquina eletrônica Zwick.

Os métodos de teste, como da resistência à compressão, à clivagem e ao cisalhamento, apresentaram uma boa correlação entre o método de teste antigo e o novo.

Influência da composição do material de moldagem sobre a evolução das curvas

Fig. 14 – Curvas médias da resistência à compressão a verde, à clivagem, ao cisalhamento duplo, à tração a úmido e à tração a verde das misturas M1 a M4

A figura 14 apresenta as curvas dos valores médios da resistência à compressão a verde, à clivagem, ao cisalhamento duplo, à tração a úmido e à tração a verde das respectivas misturas.

Os valores máximos destas curvas refletem algumas dependências conhecidas. Por exemplo, um baixo teor de bentonita (5%) resulta em resistências reduzidas, sendo que os valores ficam especialmente baixos sem o acréscimo do pó de carvão (misturas 3 e 3 + C).

Altos teores de bentonita (8%) resultam em uma elevada resistência, que por sua vez aumenta no caso do acréscimo de pó de carvão, em comparação com a mistura isenta desse material (misturas 4 e 4 + C).

As resistências das misturas 1 e 2, com um teor médio de bentonita (6,5%), se encontram exatamente no meio. É possível identificar diferenças nas evoluções das curvas, cujas interpretações ainda devem ser esclarecidas. Para isso, outros testes seriados ainda devem ser realizados.

As curvas de tensão/deformação dos diversos testes mecânicos da areia verde são caracterizadas por um aumento linear da resistência, sem o escalonamento que resulta em uma curvatura uniforme, em dependência do método de teste.

Após o alcance do ponto máximo, as curvas de teste do material de moldagem assumem um comportamento plástico mais ou menos acentuado, em que a umidade do material exerce uma influência mais agravante.

A pressão de compressão aplicada na fabricação do corpo de prova também influencia essa plasticidade. Este assunto deve ser discutido em outras pesquisas.

A evolução das curvas de tensão/deformação durante o teste fornece informações claras se o teste está em ordem ou se influências negativas em sua evolução provocaram algum transtorno. O fator decisivo é a aderência do suporte da amostra ou a punção de teste.

As mínimas irregularidades resultam em solicitações de tração e compressão unilaterais, que são imediatamente reconhecíveis na respectiva curva de tensão-deformação, com a medição sensível da força.

Curvas de teste com um aumento da força irregular, ou seja, com variações do acréscimo linear e uniforme ou curvado, resultam em valores máximos reduzidos e não são representativas.

Fig. 15 – Curvas de resistência à tração a verde; estado da pesquisa e otimização da evolução do teste. As curvas otimizadas são caracterizadas pelo aumento linear elástico (acúmulo de curvas à esquerda), resultando em resistências mais altas

A figura 15 apresenta as curvas de teste defeituosas, relativas à resistência à tração a verde e às curvas de teste após a otimização do método de teste.

Inomogeneidades na amostra do material de moldagem, por exemplo devido a inclusões, resultam em um valor máximo de teste reduzido, não sendo reconhecíveis no início da curva.

Neste caso, observa-se o mesmo comportamento que nas amostras metálicas.

Microdefeitos reduzem a resistência à tração e o alongamento à ruptura.

Conclusões

O novo teste do material de moldagem, cujo objetivo era registrar e gravar as forças/tensões e as deformações com alta resolução, foi implementado com sucesso.

Os resultados obtidos apresentam uma excelente correlação com os aparelhos convencionais operados manualmente.

Desvios foram observados apenas ocasionalmente no ensaio de tração a úmido das misturas de areia verde de baixa resistência.

Comparações com as resistências à tração a úmido obtidas em aparelhos de teste utilizados normalmente nas fundições resultaram em uma excelente concordância com a máquina eletrônica da Zwick.

As dispersões dos valores de teste e das famílias de curvas em testes seriados são muito pequenas, apresentando excelente reprodutibilidade.

As curvas íngremes das misturas de areia seca com baixa deformabilidade depois do valor máximo são claramente reconhecíveis, ao contrário das misturas úmidas, que apresentam um comportamento mais plástico. Nestas últimas, é possível observar um comportamento plástico marcante após a ultrapassagem do valor máximo da resistência.