Molhar: O que é e por que é uma preocupação tão grande?

O moderno produtor de fundição está interessado na produção do produto de melhor qualidade sem compromisso - a molhar pode ser a causa de alguns problemas no processo de fundição de metais.

Introdução

Molhar é o fenómeno pelo qual um líquido é capaz de manter o contacto com uma superfície sólida, sendo provocado por interações intermoleculares. Na moderna fundição, o grande problema causado pelo molhar é o impacto no acabamento superficial de um material fundido. O resultado disto raramente é prejudicial para o material fundido, mas quase sempre significa que o trabalho extra (e, portanto, tempo e dinheiro) é necessário para remover os defeitos de superfície, geralmente através da maquinação à mão. Naturalmente, os proprietários e operadores de fundição estão interessados em reduzir a probabilidade de molhar, minimizando assim as possibilidades de processamento pós-casting que precisam de ser feitas. Os defeitos superficiais normalmente assumem a forma de "rebarbas", ou seja, onde algum metal derretido entrou em contacto com a areia e arrefeceu de forma irregular. A areia também pode penetrar o metal. (1,2,3)

No caso de um líquido estar presente, a temperaturas de endição ferverá e evoluirá gás. Isto cria espaço para metal derretido e areia para interagir, no caso de fundiçãos metálicas à base de areia. Uma interação superficial pode ser descrita como "fortemente molhada" quando há uma boa interação sólido-líquido. 'Molhar mal' refere-se a uma fraca interação sólido-líquido.

Podem ser adicionados aditivos para reduzir a probabilidade de molhar, para além de garantir um controlo adequado e adequado da humidade. Defeitos superficiais são muito mais propensos a ocorrer quando há fortes interações molhadas (uma discussão detalhada sobre a química da superfície está fora do âmbito deste artigo), que surge predominantemente das forças intermoleculares de Van der Waal e da ligação de hidrogénio.

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Estratégias para negar ou evitar molhar

É melhor prevenir do que remediar. Em praticamente todos os casos, os fundiçãos incorporarão material nos seus moldes de fundição para anular o impacto de molhar, ou melhor ainda impedi-lo totalmente. Estes aditivos são frequentemente materiais orgânicos, com vários resíduos de plantas de amido, óleos e produtos químicos orgânicos nocivos que encontram amplas utilizações ao longo dos anos - todos eles eram exemplos de materiais carbonáceos. Praticamente qualquer material rico em carbono pode ser usado desde que incorpore bem através do são. Um dos aditivos de destaque para evitar molhar, no entanto, é
o pó de carvão/antracite
. Ser relativamente barato, fácil de trabalhar e completamente combustível torna-a uma opção atraente para uma grande variedade de tipos de fundição.

Simplificando, o aumento da quantidade de material carbonáceo num molde de areia resultará em mais pirólise desse material. A pirólise é combustão incompleta, ou seja, combustão na ausência de oxigénio. No que diz respeito aos materiais orgânicos, isto significa a produção de carbono (que tende a depositar-se como uma camada tanto no metal como na areia) e no hidrogénio (que funciona como uma barreira gasosa à penetração de metais e/ou areia, e tem outros impactos na formação de óxidos, ver mais tarde). Compostos bem adequados para agir como este material carbonáceo são aqueles que têm uma alta capacidade de coque, um componente relativamente baixo de orgânicos voláteis (não mais de 30% em peso), baixo teor de cinzas e um teor muito baixo de enxofre (não mais de 0,8% em peso). O tamanho da moagem do aditivo carbonáceo deve ser adequado para a incorporação completa através do molde de areia, com relatórios iniciais que sugiram um tamanho de partícula não superior a 0,3 mm(4).

Como o molhe causa a formação de pequenos canais na areia, o metal mole pode infiltrar-se nele e esta é a origem de muitos defeitos superficiais, tais como em 'queimar' e 'queimar' através de alterações de superfície na interface de fundição, levando a superfícies fundidas irregulares. Efeitos tão simples como o metal derretido aderente à areia são sinais comuns de que o molhar ocorreu. O silício e o fósforo na areia podem ser trocados com ferro e manganês no metal fundido, o que pode causar uma alteração material e química fundamental - totalmente evitável se o molhar for evitado pela adição de um material carbonáceo cuidadosamente selecionado(5).

Fundamentalmente, molhar é uma questão comum na fundição de metal, mas também é evitável. Pode ser tão simples como incorporar uma pequena quantidade de um material como
o pó de carvão (antracite)
na areia, que pirólise limpamente, e evitará molhar e os subsequentes fenómenos de defeito de superfície associados, evitando a necessidade de tratamento pós-fundição manualmente(6).

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Pó de carvão

O pó de carvão é antracite em pó. Trata-se de um produto de carvão de alta qualidade moído a uma especificação fina, sendo baixo em compostos orgânicos voláteis, baixo em cinzas e baixo em enxofre - em quantidades consistentemente abaixo das especificadas acima. O antracite é o carvão da mais alta qualidade, não é betuminoso como a linhite, e contém a maior proporção de carbono puro, o que significa que, quando combuscado ou pirólise, são emitidos menos poluentes perigosos em comparação com as brasas de qualidade inferior (7,8).

Talvez seja completamente lógico que o pó de carvão tenha substituído materiais clássicos carbonáceos, como o carvão betuminoso, uma vez que se espera que o desempenho seja o mesmo. Supera-a. Devido à evolução de gases tóxicos como benzeno, tolueno e xileno de carvões de má qualidade(9), as condições atmosféricas locais em torno das fundições foram consideradas pobres na década de 1940. Carvões de maior qualidade, como o antracite, reduzem drasticamente a evolução do gás. Foi relatado que o antracite produz mais do carbono de película fina protetora por massa unitária do que outros tipos de carvão - como há menos contaminantes, portanto, mais carbono.

Apesar da maior qualidade, o antracite continua a ser um material barato e encontra uma ampla utilização em várias configurações. O seu perfil de pirólise limpa torna-a a escolha ideal (e fortemente favorecida pela indústria) para fundiçãos de areia verde, onde é responsável por menos incidentes relacionados com molhe.

Note-se também o facto de que o tamanho seco, pequeno grão e, portanto, o pó de carvão flui livre se misturará facilmente e dispersa-se uniformemente por toda a areia. Fontes de carbono mais resinosas ou betuminosas, como a linhite, não se dispersarão de forma uniforme devido à sua natureza "pegajosa" que conduz à agrupar, correndo assim o risco de ter áreas na areia próximas da interface metálica fundida sem qualquer material de carbono - oferecendo, portanto, proteção zero e abrindo a porta a fenómenos húmidos e os subsequentes defeitos de superfície que irá causar.

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Prevenção da queimadura da fundição

Altamente relacionado com o molhar é a queimadura da fundição, que se manifesta de forma semelhante e requer processamento pós-fundição praticamente idêntico para remover os efeitos. A queimadura de fundição é bastante comum na produção de ferro e aço - ocorre quando os silicatos de ferro se formam na superfície do metal a ser fundido, quando a sílica (do molde de areia) e o óxido de ferro (do ferro) reagem. Isto faz com que os grãos de areia se fundam e depositem na superfície a casta, sendo difícil de remover e exigindo maquinação, semelhante ao molhado(10). Como tal, os fundadores desejam impedir a formação de óxido de ferro em primeira instância. Tal como na prevenção de molhar, a pirólise do pó de antracite/carvão produz uma atmosfera redutora altamente eficaz que inibe completamente a oxidação do ferro, impedindo assim a formação de óxido de ferro(11). Este princípio também pode ser aplicado em verduras e fundição, onde o refratário cromite contém frequentemente pequenas a moderadas quantidades de sílica. Mais uma vez, a produção de gás hidrogénio resultante da pirólise dá origem à atmosfera redutora e assim impede a formação de óxidos(12). Uma maior proteção contra a queimadura é fornecida, uma vez que o processo de pirólise faz com que uma fina película de carbono puro seja depositada na superfície metálica, o que impede a penetração de metal na areia. O inverso também é verdadeiro; areia não pode penetrar o metal. De um modo geral, isto pode ser considerado como um comportamento não-molhado.

Segurança

Como mencionado, o antracite não é tóxico. A pressão acumulada é a única preocupação, uma vez que a pirólise do pó de carvão provoca a expulsão do gás(13) com uma mistura verde e contendo apenas 5% de pó de carvão pode levar a pressões que dupliquem a dos verdes. Espera-se alguma penetração do metal pelo hidrogénio evoluído(14), mas isso será negado um pouco pela fina camada de carbono formada (ver anteriormente). No geral, a pressão acumula-se e a evolução do hidrogénio está bem dentro das tolerâncias e capacidade de design das configurações modernas de fundição baseadas em areia.

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Resumo

  • Molhar é um fenómeno pelo qual um líquido - geralmente água - é capaz de manter o contacto com um sólido
  • No caso de trabalho de fundição e fundição, molhar diretamente causa a formação de defeitos de superfície, que mais tarde têm de ser removidos manualmente, adicionando custo e tempo
  • A prevenção do molhar é geralmente feita através da adição de um material orgânico ao molde de fundição
  • O pó de carvão (antracite) é a principal escolha para a prevenção de molhar devido ao seu excelente desempenho, facilidade de manuseamento e natureza não tóxica - tudo isto ao mesmo tempo que é muito rentável
  • A combustão incompleta do pó de carvão (pirólise) produz um ambiente redutor que previne certos tipos de defeitos de superfície, ao mesmo tempo que se formam camadas finas de carbono que impedem outros tipos de defeitos
  • Antracite não é tóxico e não resultará na evolução dos gases tóxicos
  • A queimadura de foundry é um fenómeno relacionado, e também pode ser amplamente evitado através do uso de pó de carvão
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Referências

1 A. Josan e C. P. Bretotean, Utilizando adições especiais à preparação da mistura de moldes para fundição de partes de aço do tipo de roda de tração, em: Conferência Internacional sobre Ciências Aplicadas 2014 (ICAS2014), Hunedoara, Roménia, 2014

2 B. E. Brooks e C. Beckermann, Produção de Burn-on e Penetração de Moldes em Fundição de Aço utilizando simulação, em: 60ª Conferência Técnica e Operacional da SFSA, Chicago, 2006

3 Análise do Comité de Defeitos de Fundição, Análise de Defeitos de Fundição, Sociedade Americana de Funerais, Des Plaines, Estados Unidos

4 Us$36666706A, 1969

5 M. Holtzer et al., Microestrutura e Propriedades de Ferro Dúctil e Fundição compactada de Ferro de Grafite, Springer, Cambridge, 2015

6 B. Drevet (ed) Wettability a Altas Temperaturas; Série de Materiais Pergamon Volume 3, Elsevier, Amesterdão, 1999

7 G. Thiel e S. R. Giese, Am. Foundry Soc. Trans., 2005, 113, 471

8 J. Wang e F. S. Cannon, Estudo da pirólise de aditivos carbonáceos em fundições de areia verde, em Seattle: The International Carbon Conference, Seattle, 2007

9 G. F. Keatinge e N. M. Potter, Br. J. Ind. A Med., 1945, 2,125

10 A. Petro et al., Sou. Foundry Soc. Trans, trans., 1980, 88.683

11 H. W. Duetert et al., Sou. Foundry Soc. Trans, trans., 1970, 78, 145

12 D.T. Peterson et al., Sou. Foundry Soc. Trans, trans., 1980, 88,503

13 J. Mocek e J. Samsonowicz, O Arco. Encontrado. Eng., 2011, 11, 87

14 A. Campbell, Manual completo de casting (2º ed.), Butterworth Heinemann, Londres, 2015