Novos conceitos de pinturas e aditivos para peças fundidas

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Este trabalho relata o desenvolvimento de pinturas e aditivos que possibilitam a fabricação de peças fundidas sem resíduos superficiais ou defeitos de veiamento, penetração e escamação. Algumas inclusive protegem contra a degeneração da grafita dos ferros fundidos nodular e vermicular.

Reinhard Stötzel, Christian Koch, Jörg Brotzki e Ismail Yilmaz

Data: 10/08/2016

Edição: FS Agosto 2016 - Ano 26 - N^o 284

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Devido à forte demanda por peças fundidas de alta qualidade, a capacidade de produção e a qualidade dos fundidos constituem os principais focos de esforço das fundições.

Um fator de importância decisiva é dispor de novos conceitos que possibilitem o alcance das metas previstas por meio da otimização dos processos de fundição e, particularmente, dos aditivos de areia e pinturas dos machos e moldes.
O conhecimento profundo das técnicas de fundição e a possibilidade de se melhorar a produtividade são vitais.
Os aditivos de areia e pinturas são responsáveis por apenas 1% dos custos totais de uma peça fundida. No entanto, a escolha ou a utilização errada de uma pintura pode causar custos de rebarbação que podem alcançar até 10% dos custos de fundição.

Metodologia e resultados

A formação de veiamentos sempre foi um problema na fabricação de determinados tipos de peças em ferro fundido, que utilizam machos de areia aglomerados quimicamente.
Blocos de motor e cabeçotes de cilindro podem apresentar veiamentos em canais internos de óleo ou canais de água estreitos, os quais são removidos com dificuldade, podendo levar a um bloqueio e falha do motor.
Discos de freio ventilados podem apresentar veiamentos nas aberturas de ventilação, os quais também são removidos com dificuldade e podem resultar no aquecimento não homogêneo e distorções do disco durante a frenagem.
Em muitos tipos de fundidos com canais de passagem produzidos com machos e geometria complexa, ou uma razão areia/metal desfavorável, é possível que ocorreram defeitos em razão da formação de veiamentos.
Durante muito tempo, eles foram considerados defeitos causados pela expansão não linear da areia de quartzo; quando ela é aquecida pelo metal líquido durante o vazamento.
Neste caso, a estrutura cristalina da areia é alterada de quartzo baixo para alto, resultando em uma rápida expansão, seguida por uma contração. Posteriormente, há uma nova expansão, quando o quartzo é transformado em tridimita e, então, em cristobalita.
Esta expansão e contração irregular da areia de quartzo representa um contraste em relação às taxas de expansão menores e mais uniformes de outros aditivos.
Diferentes princípios foram empregados visando a neutralizar os problemas da formação de veiamentos.

A areia de quartzo de alta pureza pode ser substituída completa ou parcialmente por outros aditivos, como a areia de lago ou de margens de rio, zircônio, cromita, olivina, vidro de sílica ou materiais produzidos artificialmente.
A expansão menor e mais uniforme destes materiais é capaz de reduzir a formação de veiamentos ou até impedi-los completamente.
Entretanto, estes materiais normalmente são mais caros do que a areia de quartzo, causando outros problemas no setor de moldagem ou na fabricação de machos.
Os aditivos de areia foram utilizados de modo abrangente para controlar a formação de veiamentos.
Eles podem ser divididos em diferentes categorias, de acordo com a sua composição química e atividade.
Os óxidos de ferro foram um dos primeiros aditivos de areia utilizados.
Estes materiais provocam uma leve redução do volume quando perdem oxigênio, exercendo um efeito de escoamento ou amortecimento na superfície dos grãos de areia.
Os óxidos de ferro vermelhos (Fe2O3) são utilizados tipicamente em proporções de 1% a 2%, mas são muito finos e podem prejudicar a resistência do molde ou do macho.
Já o óxido de ferro preto (Fe3O4) é um pouco mais grosso, podendo ser usado em porcentagens de 1% a 4%.
O óxido de ferro vermelho também se revelou eficiente em conjunto com outros aditivos de areia. No entanto, é possível que eles tenham uma compatibilidade limitada com determinados sistemas de aglomerante, devido ao seu índice de acidez.
Materiais orgânicos, como a dextrina, o amido e a serragem, também são utilizados em proporções relativamente pequenas (0,5% a 2%). Eles queimam em temperaturas elevadas, resultando na redução do volume e formação de uma almofada na interface metal/molde ou metal/macho.
Estes materiais também podem exercer um efeito negativo sobre a resistência do molde e do macho, como no caso dos óxidos de ferro, pois a sua finura aumenta a demanda de resina e reduz a resistência.
Os denominados engineered sand additives (ESA) foram desenvolvidos especificamente para eliminar alguns dos aspectos negativos dos óxidos de ferro e amidos.
Eles possuem partículas de tamanho semelhante ao da areia, exercendo um impacto menos acentuado sobre a resistência do molde e do macho. Porém, normalmente estes aditivos são empregados em proporções maiores, com a finalidade de combater com eficiência a formação de veiamentos.
Um tipo destes aditivos de areia possui o formato de esferas ocas. Eles são comprimidos, produzindo uma diminuição do volume e, consequentemente, um efeito almofada.
Outros aditivos ESA apresentam um baixo fator de expansão, atuando como agentes de fluxo em altas temperaturas.
Também foram utilizadas outras estratégias, como a pintura da superfície do molde ou do macho, o que pode oferecer uma proteção limitada contra a formação de veiamentos, uma vez que a camada aplicada diminui o fluxo de calor para a areia ao redor, em virtude de seu baixo fator de expansão e seu efeito de isolamento.
Uma areia com grãos mais angulares pode ser usada, reduzindo a densidade do macho e criando um espaço para a expansão.
O sopro dos machos pode ser realizado com uma pressão mais baixa do que a normal, para obter machos de menor densidade, facilitando a expansão.

Medição da formação de veiamentos

Durante anos foram desenvolvidas peças fundidas de teste, para medir as características da formação de veiamentos em diferentes sistemas de areia e aglomerantes.
Geralmente, são utilizados dois tipos de corpo de prova: A peça fundida de cunha escalonada e a de penetração 2 x 2.
O grau de formação de veiamentos é determinado visualmente e avaliado numa escala de 1 (nenhum veiamento) a 5 (veiamento muito forte). Este método pode ser subjetivo, mas uma quantificação adicional pode ser efetuada pela determinação da severidade e posição do veiamento, assim como por meio do cálculo da pontuação da formação do veiamento, com o auxílio de uma fórmula ponderada.
Estudos revelaram que a análise destes defeitos pode ser considerada um método válido para a avaliação de materiais de fundição, com a finalidade de evitar problemas atribuídos aos machos.
O ensaio 2 x 2 da peça fundida tem a vantagem de testar até quatro machos separados em cada processo de vazamento, apesar de normalmente eles serem testados em pares, para garantir uma precisão maior.
Este método também parece ser o mais rigoroso, pois o veiamento ainda é aparente quando os machos de cunha escalonada com a mesma composição ficam isentos de defeitos.

Aditivos para machos não pintados

As fundições fizeram esforços consideráveis nos últimos anos para eliminar o processo de pintura.
Em algumas áreas, esta meta foi atingida com sucesso, como no caso das peças fundidas menos solicitadas de ferro fundido nodular.
A ASK Chemicals desenvolveu aditivos que possibilitam uma redução considerável dos defeitos de fundição e o emprego crescente de machos não pintados.

O produto Veino Ultra é um exemplo, oferecendo uma proteção significativa contra a formação de veiamentos.

Pintura para a proteção contra veiamentos

Um dos requisitos da qualidade dos fundidos é não existir veiamentos ao longo da linha de divisão da caixa de macho.
Portanto, na fabricação dos machos é preciso evitar a sua deformação durante a secagem.
Os exemplos com a pintura Miratec BD mostraram que ela elimina a formação de veiamentos e que os machos podem ser imersos com um tempo de ciclo reduzido, o qual foi melhorado em 100%, em virtude das propriedades de aplicação aprimoradas, sem a formação de gotas.

Pinturas com alta permeabilidade ao gás, contra a formação de escamações

Escamas e defeitos de gás podem levar à rejeição dos fundidos.
Neste sentido, a ASK desenvolveu diversas pinturas permeáveis ao gás, dentro do contexto de um projeto de desenvolvimento que possibilita a eliminação destes defeitos.

Peças fundidas cujos machos são submetidos a altas solicitações térmicas, em função de um enchimento crítico em determinadas áreas, tendem à escamação.
A propriedade permeabilidade ao gás elevada foi implementada com base na pintura Miratec MB 501, que possibilita bons resultados em relação à eliminação de veiamentos e penetrações, particularmente na produção seriada.
A pintura ainda deve apresentar um curto período de gotejamento e um tempo de brilho reduzido, tendo em vista a redução do tempo de ciclo durante o processo de imersão.
Com a pintura Miratec AH 501, foi possível eliminar os defeitos de escamação tanto em fundidos hidráulicos (pacote de machos cold-box + areia shell) como na carcaça de eixo (macho cold-box).
Esta pintura também permitiu a redução pela metade do tempo de ciclo do processo de imersão, em comparação com a pintura original.

Peças fundidas isentas de resíduos superficiais

Os fabricantes de equipamentos originais exigem das fundições que a quantidade de resíduos superficiais não ultrapasse 300 mg por peça, no caso de blocos de motor.
Como é quase impossível tratar as camisas d’água ou os dutos de óleo via jateamento com granalha, as pinturas devem possibilitar o fornecimento de peças fundidas sem defeitos, enquanto a sua aderência na superfície da peça é praticamente zero.
Neste sentido, foi desenvolvida uma pintura especial baseada nas boas propriedades de proteção contra a formação de veiamentos e penetrações, que reduz a um mínimo os resíduos superficiais da pintura após o vazamento.
Os exames realizados em microscópio eletrônico de varredura revelaram que a pintura apresenta propriedades de separação intrínsecas após o vazamento.
O exame mostra que a pintura MiratecTS é separada da peça, cuja superfície fica muito limpa. Em comparação com a pintura convencional, foi possível reduzir a quantidade de resíduos superficiais em até um terço.

Proteção contra a degeneração da grafita

Foram desenvolvidas pinturas que bloqueiam o transporte de enxofre e oxigênio para o banho fundido.
Para garantir a propriedade desejada, dispomos de diversos mecanismos. Um deles é a redução do transporte de enxofre ou oxigênio para a interface com o metal via pinturas com propriedades de impregnação, a exemplo da Silico IM 801. Outro mecanismo é a utilização de componentes absorvedores de enxofre e oxigênio, como compostos de cálcio na pintura.