2- Características de Areias de moldagem 20.02.13

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MATERIAS PRIMAS BÁSICAS

1.1 Conceito de Areia de Fundição

Areia de fundição é um material heterogêneo constituído essencialmente de um elemento granular refratário, dito areia base (geralmente areia silicosa), de um elemento aglomerante, seja mineral (argila base) ou orgânico (óleos, aglomerantes derivados de cereal, etc.) usado para confecção de moldes monolíticos de fundição, designados mais comumente como moldes refratários.

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Classificação das areias de fundição

Critérios de classificação :

Quanto à origem : areia natural, sintética e

semi-sintética.

Quanto ao uso: areia nova e areia usada (areia

de retorno).

Quanto à parte do molde em que é usada : areia

de moldagem e areia de macho. Ambas

subdivididas em areia de faceamento e areia de

enchimento.

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Classificação das areias de fundição

Critérios de classificação :

Quanto ao estado de umidade : barro, areia à

verde, areia seca ao ar, areia estufada e areia

seca à chama (skin-dried).

Quanto à natureza do metal: areia para ferro

fundido cinzento, para ferro fundido maleável,

para aço-carbono, para aço de alto teor em

manganês, para cobre e suas ligas, para níquel e

suas ligas, para alumínio e suas ligas, e para

magnésio e suas ligas.

.

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Definição dos tipos de areia de fundição

Quanto à Origem

Areia natural - Depósitos naturais, originados de

arenitos de cimento argiloso ou da alteração de

rochas feldspáticas (saibros), caracterizada pelo

fato de se acharem os grãos silicosos envolvidos

por pasta argilosa. Tem a peculiaridade de ser

utilizada diretamente na moldagem de peça sem

preparo

especial,

apenas

adequadamente

umedecida .

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Características de Areias de moldagem

Areia sintética - Obtida artificialmente, misturando os materiais-base (areia silicosa e aglomerante) tomados isoladamente. Os materiais-base, isto é, areia-base, argila-base e aglomerantes orgânicos, desempenham cada qual função específica na areia sintética. Por

exemplo: a areia silicosa dá refratariedade ao molde, a

argila é o elemento aglomerante, os aglomerantes orgânicos (óleos e dextrina) tem a capacidade de conferir propriedades especiais tais como alta resistência mecânica e desintegração pelo calor (colapsibilidade).

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Areia semi-sintética – Resulta de modificações introduzidas nas areias naturais por meio de adições que visam corrigir ou melhorar suas qualidades. Por adições se entende a introdução, na areia de moldagem, dos materiais-base de que ela apresenta deficiência em vista das suas propriedades.

Por exemplo: uma areia de moldagem à verde de

pequena resistência requer uma adição de argila.

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Características de Areias de moldagem Quanto ao uso

A- Areia nova - Usada pela primeira vez na fundição. B- Areia usada - recuperada de fundições anteriores.

Quanto à parte do molde em que é usada

A- Areia de moldagem - Constitui a parte do molde que forma a superfície externa da peça.

Consta de: areia de faceamento, parte da areia que

entra em contato com o metal e areia de enchimento, que forma o restante do molde.

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Quanto ao uso

B- Areia de macho - Constitui as partes do molde denominadas machos, que formam as cavidades internas da peça. Em certos machos de grandes

dimensões podem ser empregadas duas qualidades de areia, uma das quais na parte superficial dos mesmos. Aqui também se denominam areia de

faceamento e de enchimento. Nos moldes e machos pequenos, geralmente é empregada uma só areia que neste caso será areia de macho para faceamento.

Posição no molde das areias de enchimento, faceamento e macho

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macho

faceamento

enchimento

Na figura acima pode-se ver, em corte longitudinal, uma peça fundida dentro da caixa de moldagem,

notando-se a areia de faceamento, a areia de enchimento e a areia de macho.

Posição no molde das areias de enchimento, faceamento e macho

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Quanto ao estado de umidade

Areia à verde - Possui no momento do vazamento

aproximadamente o mesmo estado de umidade que tinha ao ser preparada, constitui os chamados moldes verdes.

Areia seca ao ar ou cura à frio - É empregada em

moldes ou machos que sofrem antes do vazamento, uma secagem ao ar. O molde apresenta menor umidade e maior dureza na zona superficial.

Areia estufada - É empregado em moldes e machos

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Quanto ao estado de umidade

Barro - Em estado bastante úmido para adquirir

consistência pastosa, sendo usada em moldes de alvenaria ou torneados.

Areia seca à chama - Empregada em moldes secos

superficialmente com ajuda de chama ou ar aquecido. A partir da superfície para o interior do molde, a umidade aumenta até atingir a umidade original da areia verde a certa distância.

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. Quanto à natureza do metal

As temperaturas de vazamento dos diferentes metais, sua tensão superficial e atividade química são diversas e exigem diferentes requisitos do molde. Assim, por exemplo, o alumínio é a cerca de 750 °C, ao passo que o aço ao redor de 1450 °C, tendo o primeiro tensão superficial muito inferior ao segundo.

O aço de alto teor de manganês e o magnésio por exemplo têm atividades químicas que exigem do molde propriedades químicas especiais.

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. Classificação de Areias para metais ferrosos: A - para ferro fundido cinzento

B - para ferro fundido maleável C - para aço carbono

D - para aço de alto teor de carbono

Classificação Areias para metais não ferrosos: E - para cobre e suas ligas

F - para níquel e suas ligas

G - para alumínio e suas ligas H - para magnésio e suas ligas

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Quanto ao tamanho e espessura média das peças

Além da qualidade do metal, é importante o conteúdo térmico da massa de metal vazado e sua relação com a

superfície de areia envolvente. O peso e espessura média da peça são índices que relacionam de certa

maneira a relação supra .

A prática aconselha a seguinte classificação empírica: A - Areia para peças pequenas

B - Areia para peças médias C - Areia para peças grandes

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As classes são designadas com letras e números como se vê nas tabelas seguintes:

Classe Módulo de finura (µm) 1 200 até 300 inclusive 2 140 " 200 " 3 100 " 140 " 4 70 " 100 " 5 50 '' 70 " 6 40 " 50 " 7 30 '' 40 " 8 20 " 30 " 9 15 '' 20 " 0 10 " 15 " Classe % de argila A 0,0 até 0,5 inclusive B 0,5 " 2,0 " C 2,0 " 5,0 " D 5,0 " 10,0 " E 10,0 '' 15,0 " F 15,0 " 20,0 " G 20,0 '' 30,0 " H 30,0 " 45,0 "

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Características das areias relacionadas com as suas propriedades na moldagem

Algumas das propriedades exigidas de uma areia de fundição:

Plasticidade e consistência - Alteração de forma por

forças externas, com retenção da forma originada uma vez cessada a aplicação dessas forças. Esta propriedade depende das características de resistência mecânica e deformação da areia.

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Algumas das propriedades exigidas de uma areia de fundição:

Moldabilidade – Esta propriedade pode requerer

diferentes características da areia de fundição dependendo do modo de aplicação das forças externas: socamento (moldagem habitual), compressão e batida (máquina de moldagem), jato (sandslinger), sopro (coreblowers). A areia de moldagem deve ser facilmente socável. Com pequeno esforço deve tornar-se bem compacta, reproduzindo a forma do modelo. Esta característica afeta a economia de trabalho na confecção do molde e depende da escoabilidade (fluxibility) da areia.

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Dureza – O molde deve resistir ao impacto e ao atrito

do jato metálico, que tende a erodir sua superfície. Esta resistência superficial chama-se dureza do molde e depende da dureza e da compactação da areia de fundição.

Resistência – O molde deve ter certa resistência para

poder ser manuseado e para resistir ao peso e a força viva do metal líquido durante o vazamento. Esta resistência depende da resistência mecânica da areia de fundição .

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Como geralmente a resistência dos corpos de prova secos da areia de fundição é maior do que a resistência dos corpos de provas verdes, as peças vazadas em molde estufado podem ser maiores do que as vazadas à verde.

Esta propriedade depende da resistência da areia de fundição que é dada pelo produto da resistência à compressão pela deformação.

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Ventilação - Durante o vazamento da peça, o ar que

ocupa a cavidade do molde bem como os gases do próprio metal e da areia, gerados durante o período de vazamento, devem escapar afim de que a peça fundida seja completamente maciça. Os gases podem escapar seja através de canais feitos propositadamente no molde (canais de ventilação ou de subida), seja através da areia ou mesmo pelo próprio canal de entrada (o que deve ser evitado). Geralmente o processo de evasão é simultâneo, pelos vários modos a areia deve ter a propriedade de se deixar atravessar pelos gases (permeabilidade).

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Quando se pinta a superfície do molde, tira-se com isso grande parte da permeabilidade do mesmo. Neste caso a função da areia é apenas deixar-se atravessar pelos gases formados na própria areia devido ao aquecimento. Os gases da cavidade do molde sairão pelos canais de ventilação da peça.

A ventilação do molde está, pois, relacionada à “permeabilidade” da areia de fundição. Quando a areia não tem permeabilidade suficiente é comum perfurar-se o mesmo.

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Refratariedade – A areia não deve sofrer uma fusão

nem mesmo um amolecimento excessivo fazendo ceder a parede do molde sob pressão do metal. O ponto de início de amolecimento – sinterização – assinala um índice característico referente a esta propriedade.

Um ligeiro amolecimento superficial dos grãos ou do aglomerante que os liga é muitas vezes desejável por aumentar a resiliência da areia, o que atenua os efeitos de expansão no molde; também resulta em melhor acabamento da peça. Esta propriedade está relacionada com o ponto de sinterização da areia.

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Variação Dimensional – As partes do molde sujeitas ao

calor durante um período longo, sofrem fenômenos de variação dimensional; primeiro dilatam-se, depois se contraem , podendo daí decorrer defeitos nas peças fundidas, tais como rabo de rato, descascamento ou crosta. Essa variação de volume pode, no entanto, ser mantida dentro de certos limites toleráveis para uma fundição. O controle desta propriedade é feito através do ensaio de expansão-contração, também denominado ensaio dilatométrico.

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Componentes de uma areia de fundição Areia Base

Generalidades

É um elemento granular e refratário, sendo que o de natureza silicosa é o mais usado, para compor uma areia sintética de fundição. Além da areia silicosa ou areia comum, usam-se areias especiais: aluminosa, zirconítica e outras .

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Devem ser consideradas as seguintes características numa areia base: granulometria:

A) tamanho dos grãos, distribuição granulométrica e porcentagem de finos.

B ) teor de argila (A.F.S.) C ) pureza

D ) forma dos grãos

E ) integridade dos grãos F ) refratariedade

G ) permeabilidade base H ) expansibilidade

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A) Granulometria

Tamanho dos grãos - É um dos fatores mais importantes.

Sabe-se que, quanto mais fina a areia baSabe-se empregada melhor Sabe-será o acabamento superficial da peça se forem tomadas as providências para compensar a baixa permeabilidade que a mesma venha apresentar (canais de subida, areia de enchimento de módulo inferior, etc ). Por outro lado, quanto mais grossa a areia base empregada, mais elevada será a permeabilidade do molde, porém o acabamento superficial será mais grosseiro. Deve-se portanto, escolher uma granulometria apropriada para o serviço que se tem em vista. Dentre as várias areias base é comum adequar a permeabilidade desejada tendo em vista o acabamento da peça .

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A) Granulometria

Tamanho dos grãos -

Uma areia é considerada grossa quando seu módulo for inferior a 50 e geralmente superior a 30.

É média com módulo entre 50 e 70 .

Fina para módulo entre 70 e 100. Muito fina de módulo entre 100 e 150.

Finíssima de módulo acima de 150

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Distribuição Granulométrica - Deve ser tal que a areia

tenha alta permeabilidade e baixa expansão. Isto se obtém de melhor forma com uma distribuição granulométrica com mais de 50% e menos de 70% de grãos retidos em 3 peneiras consecutivas da série padrão, se dá o nome de "concentração granulométrica" ou simplesmente "concentração" que é um índice de concentração granulométrica.

A prática ensina a conveniência de um padrão granulométrico para cada caso particular.

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Porcentagem de finos - Denomina-se finos ao valor

do material retido nas duas últimas peneiras e mais o que passa na última peneira da série padrão. Os finos formam como que uma almofada em torno dos grãos maiores, separando-os e, portanto reduzindo a expansão da areia. Contribuem, entretanto, para baixar sensivelmente a permeabilidade da areia. Há, pois, um valor ótimo do teor de finos que reduz a expansibilidade da areia e não chega a prejudicar a permeabilidade do molde. A prática aconselha um teor de finos variando entre 6% e 10% nas areias grossas e médias .

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B) Teor de argila (A.F.S)

Por argila A.F.S. se entende a fração granulométrica inferior a 20 micras, definida em "Standards and Tentative Standards adopted by the American Foundrimen's Society . Ed. 1944, Section 9, 6304”.

A argila que acompanha uma areia base possui poder aglomerante deficiente para que possa atribuir á areia o caráter de areia natural, além disso ela contribui para diminuir a permeabilidade.

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C) Pureza

O grau de pureza de uma areia silicosa é detectado em lupa de pequeno aumento (25x) e depende da presença de minerais estranhos, outros que o quartzo e da cobertura dos grãos por película de substância aderentes.

A película de óxido de ferro que envolve os grão de várias areias não é nocivo a refratariedade das mesmas desde que o teor não ultrapasse à 2 % .

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Características de Areias de moldagem D) Forma dos grãos

Existem quatro tipos de grãos, classificados pela forma:

Grãos angulares: Usados em areia para machos por

produzirem maior permeabilidade para um dado grau de compactação. Especialmente empregado em fundição de não ferrosos.

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Grãos sub-angulares: Os mais aconselhados para

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Grãos redondos: Os mais aconselhados nas areias de enchimento, apresentam maior durabilidade. São de uso obrigatório nas areias de macho tipo soprado.

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Grãos agrupados: Desaconselhados pela pequena

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E) Integridade dos grãos

Grãos fraturados ou que apresentem planos de clivagem são desaconselhados pelos mesmos motivos alegados no caso dos grãos agrupados.

F) Refratariedade

A refratariedade da areia base deve ser suficiente para permitir ao molde resistir à alta temperatura produzida pelo metal líquido no momento do vazamento. No caso de se ter areias com grãos redondos, a refratariedade acima da temperatura de vazamento constitui uma inconveniência por favorecer a expansibilidade do molde. Como regra a refratariedade deve se aproximar da temperatura de vazamento do metal.

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G) Permeabilidade

A permeabilidade da areia base deve ser suficientemente elevada para permitir a ventilação do molde ou macho, sem recorrer a artifícios como seja o puncionamento (perfuração) dos moldes. No caso dos machos soprados, a permeabilidade deverá ser elevada, para facilitar a operação de enchimento das caixas de macho.

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H) Expansibilidade

A expansão da areia deve ser a menor possível afim de que a mesma solução de continuidade no molde durante o vazamento, do que resultariam peças defeituosas.

As areias que, aquecidas ao vermelho cereja (600 °C), estrondam grande parte de seus grãos, indicam a alta expansividade, devendo-se restringir o seu uso.

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Tipos de Areia Base

SÍLICA

Estrutura e Polimorfismo

Estruturalmente a sílica é formada pela reunião de tetraedros de faces equiláteras, com um átomo de oxigênio em cada vértice e um silício no centro. Os tetraedros são interligados através das arestas e todos os átomos de oxigênio são comuns a dois tetraedros (SiO₂).

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Tipos de Areia Base

SÍLICA

A sílica apresenta várias formas alotrópicas cuja densidade varia de 2,20 à 2,65 g/cm3_{. Pode se}

apresentar ainda, no estado hidratado, indo até o estado coloidal sob forma de sílica gelatinosa.

As formas de sílica livre são o quartzo, a tridimita e a cristobalita, que são estruturalmente diferentes, mas quimicamente idênticas, ou seja, são alotrópicas.

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Características de Areias de moldagem Tipos de Areia Base

No estado anidro, a sílica se apresenta de três formas cristalinas: quartzo, tridimita e cristobalita e na forma não cristalizada, a sílica pode se apresentar como sílica fundida ou sílica vítrea de estrutura amorfa.

Com o aquecimento da sílica ocorrem as seguintes transformações:

Quartzo  estável até 573ºC, com estrutura ortorrômbica. Esta passagem é praticamente instantânea e reversível com aumento de volume de 0,8%, correspondente a uma dilatação linear de 0,3%.

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Quartzo  estável, acima de 573ºC com estrutura hexagonal até 870ºC;

Quartzo  metaestável (tridimita), acima de 867ºC; à 1470ºC (como cristobalita) ele começa a se tornar, progressivamente, amorfo e a fusão ocorre entre 1650ºC e 1750ºC.

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A sílica utilizada em fundição apresenta-se sob forma de quartzo com densidade próxima de 2,65 g/cm3. As transformações que eventualmente ocorrem se dão em contato com o metal líquido. A transformação mais importante a ser considerada no estudo das areias silico-argilosas é a do quartzo  estável em quartzo  estável.

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Características físico-químicos

A curva do gráfico 01 mostra a variação da dilatação linear do quartzo em função da temperatura.

Dilataç ão em % Temperatura em ºC Gráf. 01

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A sílica (SiO₂) comporta-se como um ácido muito fraco. Praticamente insolúvel em água, não é atacado pelos ácidos, exceto pelo fluorídrico e fosfórico.

Alguns metais, tais como Magnésio, podem reagir com a sílica em alta temperatura. O ferro, no estado oxidado, pode provocar reações intensas, pois o óxido de ferro escorifica a sílica formando um silicato de ferro de baixo ponto de fusão e facilitando a penetração do metal líquido entre os grãos de areia.

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As características da sílica variam conforme a sua formação geológica e a jazida do qual é extraída. As areias em geral, e particularmente as de sílica, provem da desagregação de rochas (tais como arenitos e quartzitos, sílex), principalmente pelo intemperismo.

Arenito é uma rocha sedimentar que resulta da compactação e litificação de um material granular da dimensão das areias.

Quartzito é uma rocha metamórfica, sua composição

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As areias dos rios apresentam, geralmente, grandes proporções de grãos angulares, enquanto que as de praia e as de deserto, submetidas a movimentos constantes, são constituídas em grande parte por grãos mais arredondados

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Aspectos desfavoráveis

As desvantagens do uso da areia de sílica, além da sua elevada expansão térmica são a sua reatividade com alguns metais e ligas, e o perigo da silicose.

A inalação prolongada de partículas de sílica menores que 10 mícron provocam modificações nos pulmões que, em geral, são agravadas por doenças oportunistas (tuberculose) e frequentemente fatais.

Em função disto, as empresas veem adotando sistemas de exaustão cada vez mais eficientes.

.

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Características de Areias de moldagem Cromita

Características Físicas e Químicas

A cromita – FeOCr₂O₃ – é um minério de composição química e propriedades físicas regulares. É um minério refratário cuja composição química se situa nas seguintes faixas:

Cr₂O₃ – 35 a 50% oxido de cr Fe₂O₃ – 15 a 25% óxido ferroso Al₂O₃ – 12 a 25% óxido alumínio

MgO – 13 à 18% óxido de magnésio

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O controle do silício é o mais importante, pois em teores maiores favorece a penetração do metal entre os grãos de areia.

A areia de cromita é obtida por britagem e classificação granulométrica o que significa grão de formatos variados (arestas arredondadas até ângulos vivos). Sua densidade varia de 4,45 a 4,65 g/cm3.

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Cromita

Quando aquecida a cromita sofre um aumento de volume inferior ao da sílica:

de 1300ºC ocorre uma dilatação linear de 1%

de 1300ºC à 1600ºC esta dilatação diminui para 0,5%

O gráfico 02, a seguir, mostra essa variação da dilatação em função da temperatura em comparação a sílica.

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O gráfico, mostra a variação da dilatação em função da temperatura em comparação a sílica.

Temperatura em ºC

Dilatação

em

%

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A cromita se funde à 2200ºC, com diminuição da sua refratariedade em função das impurezas presentes.

Ao contrário da sílica, a condutibilidade térmica da cromita aumenta com a diminuição da temperatura do metal o que o torna um material ideal para ser utilizado como resfriador sendo aplicado para a produção de moldes utilizados em fundições de aço.

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Zirconita

Características Químicas e Físicas

A zirconita é um silicato de zircônio – ZrO₂SiO₂- em que o mineral puro contém 67,2% de ZrO₂ e 32,8% de SiO₂. Sua densidade é de 4,7g/cm3.

Apresenta o menor coeficiente de dilatação entre as areias utilizadas em fundição – cerca de 1/6 da areia de sílica. Entre 20 e 1000ºC apresenta excelente estabilidade térmica.

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Com temperatura de fusão de 2571ºC, apresenta menor reatividade com os metais sendo indicado na moldação para peças de aço de grande porte e altamente ligados.

Dilataç

ão

em

%

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Zirconita

Como não ocorre de forma generalizada na natureza, seu custo é elevado, além do que, em função de sua densidade, para preencher o mesmo volume de um

molde, é necessário que se empregue uma quantidade de zirconita correspondente ao dobro da sílica

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Características de Areias de moldagem Olivina

Características Físicas E Químicas

A Olivina é um ortosilicato de ferro e magnésio composto de forsterita (2MgO.SiO₂) e de faialita (2FeO.SiO₂) de coloração verde oliva. Sua densidade varia de 3,25 a 3,40 g/cm3.

Este mineral existe sob forma de rocha natural que é britada e classificada dando origem à areia que apresenta grãos de formas angulares.

O coeficiente de dilatação da Olivina só é inferior ao quartzo conforme mostra o gráfico 05 comparando inclusive, com as areias já estudadas

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Características de Areias de moldagem Olivina

A expansão térmica da olivina de 20 à 1000ºC é cerca de 30% menor que a sílica apresentando boa estabilidade dimensional. Sua condutibilidade térmica é superior à da sílica. A temperatura de fusão situa-se a de seus constituintes mineralógicos, a forsterita e faialita, variando de 1300ºC à 1800ºC, conforme o teor de óxido de ferro.

A Olivina é utilizada para a moldação para fabricação de peças de aço ao manganês com 13% de Cr ou aços ao Ni-Cr do tipo 18-8 ou 27-4.

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Temperatura em ºC

Dilatação

em

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Características de Areias de moldagem Outros Constituintes

Chamote

O chamote é um material obtido através de um processo de beneficiamento da argila caulinitica (vem do Piaui) que inclui calcinação, britagem e classificação granulométrica.

Em função deste processamento, esta argila transforma-se em material refratário em cuja estrutura se encontram a mulita (SiO2 é rara) e a cristobalita (Dióxido de Silício /México).

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Características de Areias de moldagem Outros Constituintes

Chamote

A densidade varia de entre 2,60 a 2,70 g/cm3 e é função do tipo de argila utilizada e outras variáveis do processo de calcinação para dar resistência a argila..

O coeficiente de dilatação da chamote dependo do tipo de argila utilizada na fabricação do produto e do grau de calcinação, mas de modo geral, este coeficiente diminui com o aumento de alumina presente.

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O gráfico 05 abaixo apresenta as curvas de dilatação das diversas areias e a posição relativa da chamote para comparação.

Dilataç

ão

em

%

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O ponto de fusão da chamote é variável ficando entre 1725 à 1840ºC. A refratariedade aumenta com a diminuição do teor de impurezas tais como o óxido de ferro.

A chamote pode ser utilizada para a fundição de peças em aço ou mesmo ferro fundido devido sua baixa reatividade e expansão térmica, contudo seu custo é elevado quando comparado com a areia de sílica. Quadro comparativo entre as areias bases

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