Tintas para fundição

Tintas para Fundição 2

Tintas para Fundição

Quase sempre: servem para que a face de molde ou macho seja mais lisa e mais resistente à agressão pelo metal líquido– diminuindo a rugosidade nas peças fundidas– evitando eventuais reações decorrentes do contato direto da face

do molde com o metal líquido ou seus produtos de oxidaçãoÀs vezes: usam-se tintas cuja única função é condicionar a

atmosfera do molde e que de modo algum evitam o contato direto do metal líquido com as faces do molde ou macho

As tintas de fundição mais simples consistem de– materiais sólidos (carga) em suspensão em algum– meio de dispersão (veículo) líquido e

Conforme sua viscosidade, são aplicadas por• pincelamento,• aspersão,• imersão,• lavagem ou• espatulação

Tintas para Fundição 3

Até ~ 1950 qualquer tinta para moldes ou machos era formulada na própria fundição.As formulações de tintas constituíam parte importante do patrimônio técnico das fundições, sendo, portanto, tratadas com confidencialidade. Dependendo do tipo de ligante empregado para fixar a camada aplicada, o conjunto meio de dispersão / ligante podia enquadrar-se em uma das seguintes categorias:– Soluções aquosas de dextrina, melaço, açúcares, amidos e resinas

sintéticas– Soluções alcoólicas de resinas naturais ou sintéticas– Soluções de acetato de celulose em acetona– Soluções aquosas de silicatos solúveis (de sódio ou de potássio).Maioria das tintas “caseiras” eram suspensões aquosas

• estufas para a secagem de machos e moldes pintados eram equipamentos comuns em fundições bem montadas

Homogeneidade e níveis de qualidade deixavam a desejar• fundições acabaram por substituir as tintas “caseiras” pelas comercializadas,

ainda que a um custo inicial maior

Tintas “caseiras”

Tintas para Fundição 4

Com a progressiva redução da espessura de parede dos fundidos e da seção dos machos, as tintas existentes no mercado tendem a atingir seu limite de aplicação e começam a apresentar problemas com porosidades e bolhas de gases.

Essas dificuldades têm motivado novos desenvolvimentos em tintas de fundição, com o objetivo de chegar a produtos com menor geração de gases, principalmente através de:

1. Elevada capacidade de isolamento térmico de modo a retardar a transferência de calor

2. Elevado grau de deformação (plasticidade) a altas temperaturas

Tintas comerciais

Tintas para Fundição 5

Melhorar características superficiais do macho ou molde– Dureza– Resistência a Friabilidade

Melhorar o aspecto do fundido quanto a– Rugosidade– Aderências– Limpeza

Reduzir / eliminar defeitos superficiais tais como– Veiamento– Penetração– Bolhas de gases– Superfície com dobras– Escamas– Erosão– Decorrentes de reações metal / molde ou macho

Atuar sobre a microestrutura superficial do fundido, através de materiais metalurgicamente ativos, por exemplo:– Telúrio– Bismuto– Estanho, etc

Funções das tintas de fundição

Tintas para Fundição 6

Os elementos básicos de composição de uma moderna tinta para fundição são os mesmos das primeiras tintas “caseiras”.

Uma tinta de fundição compõe-se de:

• uma ou mais cargas minerais, quase sempre refratárias ou altamente refratárias

• meio de dispersão ou veículo• agentes de suspensão, em geral coloidais• ligantes com a função de fixadores

Composição básica

Tintas para Fundição 7

Cargas minerais

Materiais carbonáceos Silicatos Óxidos

Grafita Silicato de Alumínio Quartzo

Coque moído Silicato de Cálcio Manesita

Negro de fumo Silicato de Magnésio Rutilo

Silicato de Zircônio Espinélios

As cargas minerais mais empregadas nas formulações de tintas para fundição podem ser assim classificadas:

CARGAS MINERAIS PARA TINTAS (segundo VDG – Merkblatt R 150)

Tintas para Fundição 8

Cargas minerais

Carbonáceas Densidade P. de Fusão Forma de grão Composição Grafita aprox. 2,2 1.600 – 5.000°C irregular, angular-lamelar 70% C Coque 1,9 - 2 > 1.700°C irregular 90% C Silicatos lamelares Densidade P. de Fusão Forma de grão Fórmula

Caulim 2,65 1.700°C lamelar Al2[(OH)4.Si2O5] Pirofilito 2,8 1.700°C lamelar-angular Al2[(OH)2.Si2O10] Talco 2,8 1.000°C lamelar Mg3[(OH)4.Si2O5] Mica 2,85 900°C lamelar KAl2[(OH)2.AlSi3O10]

Óxidos e Silicatos não-lamelares

Densidade P. de Fusão Forma de grão Fórmula

Zirconita 4,6 2.200°C irregular-angular ZrSiO4 Olivina 5,2 1.750°C irregular-angular Mg2SiO4 Mulita 3,16 1.600°C irregular-angular 3Al2O3.2SiO2 Chamote 2,6 1.700°C irregular Al2O3.SiO2 Quartzo 2,6 1.700°C angular SiO2 Magnesita 3,6 2.800°C angular MgO Corundum 3,9 2.050°C irregular Al2O3 Cromita 4,0 >1.600°C irregular Al2O3.Cr2O3.FeO

Tintas para Fundição 9

Silicatos com estrutura lamelar têm papel importante:

– Na camada aplicada, as lamelas dispõe-se paralelamente àsuperfície pintada é possível um deslizamento entre elas camada de tinta pode deformar-se (sem se romper) preservando a continuidade da camada, quando os grãos de quartzo da base sobre a qual está aplicada expandem-se trincas na base poderiam permanecer encobertas

– Esses minerais dão camadas de tinta bastante fechadas:

• barreiras contra a penetração do metal líquido

• baixa permeabilidade

– A disposição das lamelas em várias camadas paralelas à superfície pintada proporciona à película de tinta, após secagem, o alto poder de isolamento térmico característico desse tipo de estrutura. Com isso, o aquecimento do molde/macho dá-se de modo muito menos intenso e rápido, amenizando os efeitos da expansão do quartzo e reduzindo a velocidade de geração de gases.

Cargas minerais

Tintas para Fundição 10

Temperaturas de fusão elevadas e características metalúrgicas restringem o leque de materiais que podem ser empregados

ZIRCONITA– continua sendo a carga mais importante– preço muito alto

OLIVINA e MAGNESITA– praticamente só são empregadas em aços ao manganês

MULITA– limitada a peças de pequeno peso

CORUNDUM– apresenta-se como alternativa econômica para zirconita

CROMITA– dá bom acabamento superficial, principalmente em peças pesadas– preço alto limita emprego generalizado

Cargas minerais: aços

Tintas para Fundição 11

Empregam-se praticamente todos os tipos de cargas mineraisAlém dos materiais refratários, podem ser empregados minerais

com fases de ponto de fusão baixos– o objetivo é o de conferir à tinta a capacidade de deformar-se a

altas temperaturas.

Cargas minerais: ferros fundidos

Tintas para Fundição 12

As ligas não ferrosas, tanto as pesadas quanto as leves, não requerem desempenhos tão elevados das cargas minerais

Nos não-ferrosos pesados– a evolução de gases proveniente da água de cristalização de alguns

minerais é extremamente prejudicial. Estes, portanto, devem ser excluídos

Nos fundidos de alumínio– solicitações pouco severas– é muito importante o efeito desmoldante conferido pela carga mineral

combinações de cargas– dependem muito do processo de macharia ou moldagem empregado

Cargas minerais: não-ferrosos

Tintas para Fundição 13

A granulometria da carga mineral constituinte da tinta, qualquer que seja o seu tipo, afeta:– a viscosidade– a tendência à decantação– a tendência ao fissuramento na secagem

Dimensões das partículas– quanto maiores, maior a tendência à decantação– quanto mais finas, maior a tendência ao fissuramento da camada

aplicada na secagem– portanto: granulometria dos sólidos em suspensão na tinta resulta de

compromisso entre essas duas tendências, considerada a densidadereal do sólido

Regra geral: para obter camadas lisas pouco suscetíveis de fissuramento por secagem– pó mais fino que 74 μm (peneira 200) e– com menos de 50% abaixo de 44 μm (peneira 325)– formulação da tinta é fundamental para evitar fissuramento

Carga mineral: granulometria

Tintas para Fundição 14

São líquidos que servem de meios de dispersão das cargas minerais, permitindo sua aplicação sobre as superfícies dos moldes e machos

Água– baixo custo e ambientalmente correto– difícil remoção (evaporação)– uso especialmente recomendado em moldagem ou macharia

altamente seriadas

Álcoois industriais– são veículos muito importantes– o principal é o isopropanol (principalmente na Europa)

Solventes clorados (cloro-carbono e fluor-cloro-carbono)– não são mais utilizados nas aplicações comuns, pois representam

ameaças à saúde e ao meio ambiente– no entanto, devido ao seu baixo ponto de ebulição, ainda são

empregados na moldagem a vácuo

Veículos

Tintas para Fundição 15

Função: eliminar ou retardar a sedimentação das partículas minerais suspensas no veículo ou meio de dispersão

Empregam-se, em geral, materiais tixotrópicos (no meio de dispersão em repouso, formam uma estrutura que sustenta as partículas minerais)– evitam penetração excessiva do veículo no molde ou macho (devido à

absorção do meio dispersor e inchamento)– às vezes contribuem para a formação de uma camada uniforme de

tinta– os de menor custo são as bentonitas sódicas

Alguns materiais orgânicos:– colóides derivados de algas marinhas (alginatos)– derivados de celulose (p. ex., carboximetilcelulose)

Tipo e quantidade: grande influencia na viscosidade dinâmicaAlguns agentes de suspensão também têm propriedades de fixação

– todas as argilas têm bom poder de fixação a elevadas temperaturas

Agentes de suspensão

Tintas para Fundição 16

Fixação das partículas de carga mineral sobre moldes e machos ocorre com a ajuda de ligantes

• Teoricamente os agentes de fixação inorgânicos deveriam ser preferidos visando menor geração de gases. Na prática, empregam-se tanto ligantes inorgânicos como orgânicos.

Fixadores (Ligantes) são responsáveis por• adesão das partículas da tinta à sua base de aplicação e• coesão mútua entre as partículas da camada.

Importante evitar migração do ligante para a superfície da tinta ao eliminar o dispersante

• baixa resistência da tinta na base de aplicação• lascamento da camada com o choque térmico decorrente do

contacto com o metal• superfícies de tinta muito duras, que não soltam quando

atritadas, podem ser indício de forte migração de ligante

Ligantes / fixadores

Tintas para Fundição 17

1. Tintas refratárias a altamente refratárias, com refratários de textura granular e angular– Vantagens: Não reativas com óxidos, baixo volume de gases– Desvantagens: Não atuam contra efeitos de expansão do quartzo

2. Tintas com minerais de estrutura lamelar e eventual reação endotérmica.– Vantagem: ao ocorrer expansão do quartzo, lamelas deslizam umas sobre as

outras• mantêm cobertas pequenas trincas ocorridas na base• reação endotérmica (ex.: dissociação de carbonatos) apressa a formação de um filme

sólido do metal– Desvantagens: Evolução de gases; possíveis defeitos por liberação de água de

cristalização, com oxidação de componentes do banho metálico. Seu ponto de fusão limita o universo de aplicação

3. Tintas combinando minerais com diferentes fases de amolecimento– Vantagem: Podem deformar-se em temperaturas elevadas– Desvantagens: Reativa com óxidos e escorias do banho de metal

4. Tintas termicamente isolantes, minerais com baixa condutividade térmica– Vantagens: Retardam a transmissão de calor do metal para o interior do

molde/macho• menores efeitos das tensões causadas pelas expansão do quartzo• em temperaturas elevadas formam-se fases sinterizadas

– Desvantagem: Requerem camadas muito espessas para funcionar adequadamente

Resumo dos tipos de tintas(Bartsch)

Tintas para Fundição 18

Composição: Só parcialmente controlável pelo usuário (diluição)O usuário pode (e deve) vigiar e atuar sobre certas características físicas que determinam / afetam:– o modo de aplicação– o comportamento durante a secagem e– o desempenho durante o vazamento e solidificação da peça fundida

Viscosidade: é a característica física mais importante de uma tinta de fundição, porque:– regula a tendência à decantação dos materiais sólidos– regula a tendência ao fissuramento da camada aplicada durante a secagem– determina qual o método de aplicação mais conveniente

• aspersão,• imersão• lavagem• pincelamento• espatulação)

Mede-se a viscosidade:– diretamente: com viscosímetros tipo Stormer, Brookfield e outros– indiretamente: medidas de consistência e densidade da suspensão

• consistência: determinada pelo tempo de escoamento da tinta através do bocal de um copo com formas e dimensões padronizadas (por exemplo, conforme Recomendação CEMP-073). Usando a equação de calibração do bico utilizado, converte-se o valor do tempo de escoamento (em segundos) em viscosidade cinemática (centiStokes).

• densidade: determinada com densímetro de imersão• viscosidade cinemática x densidade = viscosidade dinâmica

Características - Controle

Tintas para Fundição 19

Para pequenos acertos na tintasuficiente o controle através da medida de densidade da suspensão (a ação corretiva fica restrita ao grau de diluição)

Densidades para tintas de veículo aquoso (aproximadas):– 1,16 a 1,25 g/cm3 : aplicação por aspersão– 1,21 a 1,35 g/cm3 : aplicação por imersão ou lavagem– 1,32 a 1,53 g/cm3 : aplicação por pincelamento

Atenção: esses limites dependem da densidade do material sólido em suspensão

Características - Controle

Tintas para Fundição 20

Correlações viscosidade x composição

Composição de uma tinta → viscosidade → comportamento– para tintas com zirconita, olivina, magnesita, pirofilito e cromita

(cargas minerais), bentonita sódica (agente de suspensão) e dextrina (fixador):

β

α

ν

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛××

=

V

LV R

AR

Bδ

γ

η

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛××

=

V

LV R

AR

B

ν = viscosidade cinemática, Stokes RV = teor de refratário (carga mineral) dividido pela densidade real do refratário

η = viscosidade dinâmica, poise AL = água livre na tinta = água total –água ligada à bentonita

B = teor de bentonita α, β, γ, δ = coeficientes experimentais

Tintas para Fundição 21

A camada pintada pode exercer grande influência sobre a fluidez do metal

• Efeito importante mas pouco documentado na literatura técnica• Dependendo da formulação da tinta, podem ser obtidas enormes

melhorias na fluidez do metal

Na fundição de aço ao manganês tipo Hadfield (12

a 14% Mn): maiores aumentos de fluidez com

tintas de pirofilito (mineral com estrutura lamelar)

Parte dessa melhoria pode ser devida a isolamento térmico propiciado pela

camada de tinta

Pintura versus fluidez do metal

Tintas na fundição de aço Hadfield

0

20

40

60

80

100

120

140

0 5 10 15 20 25 30 35

relação refratário / bentonita

Varia

ção

de fl

uide

z (K

ondi

c), %

pirofilito

olivina

cromita

magnesita

zirconita