Arena de moldeo en fundición metalúrgica: tipos, componentes y características clave

En este artículo discutiremos sobre: 1. Definición de arena de moldeo 2. Tipos de arena de moldeo 3. Componentes principales.

Definición de arena de moldeo

La materia prima principal utilizada en el moldeo es la arena de moldeo porque proporciona varias características importantes que no pueden obtenerse de otros materiales. La arena de moldeo se define como partículas granulares resultantes de la descomposición de rocas, debido a la acción de fuerzas naturales como heladas, viento, lluvia, calor y corrientes de agua. Las rocas tienen una composición compleja y la arena contiene la mayoría de los elementos de las rocas.

Por esta razón, la arena de moldeo difiere considerablemente en diferentes partes del mundo. En la naturaleza, se encuentra en el fondo y orillas de ríos y lagos. La arena de moldeo se clasifica en diferentes categorías según la naturaleza de su origen.

Los componentes principales de las arenas de moldeo son los siguientes:

• Sílice (SiO₂) — 86 a 90%
• Alúmina (Al₂O₃) — 4 a 8%
• Óxido de hierro (Fe₂O₃) — 2 a 5% con cantidades menores de óxidos de Ti, Mn, Ca y algunos compuestos alcalinos.

Arena natural

También llamada arena verde, se recolecta de recursos naturales. Contiene agua como único aglutinante. Tiene la ventaja de mantener el contenido de humedad por mucho tiempo, tener un amplio rango de trabajo de humedad, permitir parcheo y acabado fácil de moldes.

Arena sintética

Es una arena artificial obtenida mezclando arena relativamente libre de arcilla, aglutinante (agua y bentonita) y otros materiales según sea necesario. Es una mejor arena de moldeo ya que sus propiedades pueden controlarse fácilmente variando el contenido de la mezcla.

Composición de arena verde sintética para fundiciones de acero:

• Arena de sílice nueva — 25%
• Arena vieja — 70%
• Bentonita — 1,5%
• Dextrina — 0,25%
• Humedad — 3 a 3,5%

Composición de arena seca sintética para fundiciones de acero:

• Arena de sílice neta — 15%
• Arena vieja — 84%
• Bentonita — 0,5%
• Humedad — 0,5%

Además, existen ciertas variedades de arenas especiales como Zirconita, Olivina, etc. Estas arenas especiales son más caras que la sílice y, por tanto, se usan solo donde su uso está justificado.

Tipos de arena de moldeo

Las arenas de moldeo pueden clasificarse, según su uso, como sigue:

(i) Arena verde (Green Sand)

Cuando la arena está en su estado natural (más o menos húmeda), se le llama arena verde. Es una mezcla de arena de sílice, con 18 a 30% de arcilla y 6 a 8% de agua. La arcilla y el agua dan resistencia de aglutinación a la arena verde.

Es fina, suave, ligera y porosa. Al estar húmeda, retiene la forma dada bajo presión durante el apisonado. A medida que el molde se vuelve denso por el apisonado, la estructura se hace porosa mediante ventilación. Se evitan los bordes agudos en moldeo con arena verde, ya que al ser débiles, se rompen cuando se vierte metal caliente.

La arena verde se usa generalmente para fundir moldes pequeños o medianos. Se puede obtener mayor producción de un espacio de piso dado ya que se ahorra el costo y retraso involucrado en secar los moldes. El polvo de carbón se mezcla en arena verde para prevenir defectos en fundiciones.

(ii) Arena seca (Dry Sand)

El moldeo en arena seca se emplea para fundiciones grandes. Los moldes preparados en arena verde se secan u hornean para eliminar casi toda la humedad de la arena húmeda. La estructura en las cajas de moldeo después del secado se vuelve más fuerte y compacta. La ventilación es necesaria pero no en la misma medida que en el molde de arena verde. Para moldes grandes y pesados, se mezcla estiércol de vaca, caballo, etc. con arena de grano más grueso.

(iii) Arena de barro (Loam Sand)

Es una mezcla de arcilla y arena molida con agua hasta obtener una pasta plástica delgada, a partir de la cual se construyen los moldes sobre un respaldo de ladrillos blandos.

La arena de barro contiene hasta 50% de arcilla y se seca dura. También contiene arcilla refractaria. Debe ser lo suficientemente adhesiva para adherirse a las superficies verticales de la estructura rugosa del molde. Paja picada y estiércol se usan comúnmente para ayudar en la unión. El contenido de humedad es del 18 al 20%.

El barro se seca muy lenta y completamente antes de estar listo para fundición. Se usa para fundir fundiciones grandes de forma regular como sartenes químicas, tambores, etc.

(iv) Arena de revestimiento (Facing Sand)

Se usa directamente junto a la superficie del modelo y entra en contacto con el metal fundido. Dado que está sujeta a las condiciones más severas, debe poseer alta resistencia y refractariedad. Se hace de arena de sílice y arcilla, sin adición de arena usada.

Diferentes formas de carbono conocidas como materiales de revestimiento (p. ej., polvo de plomago, plomo de Ceilán o grafito) se usan para evitar que el metal queme la arena. A veces se mezclan con 6 a 15 veces arena de moldeo fina para hacer revestimientos de molde.

La capa de arena de revestimiento en un molde suele variar de 20 a 30 mm. La arena de revestimiento comprende del 10 al 15% de la cantidad total de arena de molde.

(v) Arena de respaldo (Backing Sand)

La arena de moldeo vieja, usada repetidamente, de color negro debido a la adición de polvo de carbón y quemado o contacto con metal fundido, se conoce como arena de respaldo, arena de piso o arena negra. Se usa para rellenar el molde detrás de la capa de revestimiento. Es débil en resistencia de aglutinación porque los bordes afilados de los granos de arena se vuelven redondeados debido a la alta temperatura del metal fundido y la quema del contenido de arcilla.

(vi) Arena de sistema (System Sand)

Se usa en moldeo a máquina para llenar todo el flask. Su resistencia, permeabilidad y refractariedad deben ser superiores a las de la arena de respaldo.

(vii) Arena de partición (Parting Sand)

Las cajas de moldeo se separan para que no se adhieran entre sí esparciendo una arena fina, seca y aguda llamada "arena de partición". También se usa para evitar que la arena verde se pegue al modelo. Es arena de sílice limpia y libre de arcilla. Arena de núcleo quemada también podría usarse para este propósito.

(viii) Arena de núcleo (Core Sand)

Se usa para hacer núcleos. Es arena de sílice mezclada con aceite de núcleo (aceite de linaza, colofonia, aceite mineral ligero y otros aglutinantes). Por economía, brea o harina y agua pueden usarse como arena de núcleo para núcleos grandes.

(ix) Arena CO₂

En la arena CO₂, los granos de sílice, en lugar de estar recubiertos con arcilla natural, están recubiertos con silicato de sodio. Esta mezcla se apisona primero alrededor del modelo y luego se endurece pasando CO₂ a través de los intersticios durante aproximadamente un minuto. La arena así se endurece y produce un molde fuerte.

(x) Arenas de capa (Shell Sands)

Las arenas de capa son arenas sintéticas recubiertas con resinas fenol o urea-formaldehído y curadas contra un modelo calentado para producir una capa muy fuerte y delgada. No se requiere arena de respaldo para proporcionar soporte al peso de la fundición. Como las aleaciones se solidifican a altas temperaturas, las resinas no se disocian. Pero los moldes se desintegran cuando la fundición se ha solidificado debido a la ruptura del enlace químico por el calor de la fundición en solidificación.

(xi) Arenas de revestimiento (Facing Sands) — nota: duplicado en original

Generalmente, la arena de revestimiento se aplica primero en el modelo, para que solo ella entre en contacto con el metal fundido. Esta arena es lo suficientemente refractaria para no fundirse y quemarse al contacto con el metal.

(xii) Arenas de respaldo (Backing Sands) — nota: duplicado en original

Se aplican como soporte mecánico de respaldo a la arena de revestimiento. Son permeables para permitir la salida de gases.

(xiii) Lavados de molde (Mould Washes)

Son lechadas de granos cerámicos finos. Se aplican sobre las superficies del molde para minimizar la fusión de los granos de arena de revestimiento. También producen una superficie más lisa en la fundición al rellenar los intersticios.

Componentes principales de la arena de moldeo

Sílice, arcilla (aglutinante) y humedad son los tres componentes principales de la arena de moldeo. La sílice en forma de cuarzo granular (ella misma una arena) es el componente principal. La arena de sílice contiene 80 a 90% de óxido de silicio y se caracteriza por alta temperatura de reblandecimiento y estabilidad térmica. Imparte refractariedad, resistividad química y permeabilidad a la arena.

Se especifica según tamaño y forma. Los granos de arena pueden ser finos, medianos o gruesos en cuanto a tamaño, y redondeados, semi-angulares o compuestos, en cuanto a forma. La arena fina es deseable para fundiciones pequeñas e intrincadas. Como los granos finos están cerca, la permeabilidad es pobre. La arena de tamaño mediano se usa en trabajo de banco y piso ligero. Las partículas gruesas se usan para fundiciones grandes para permitir la salida de gases.

El tamaño de grano se determina pasando arena a través de tamices. Los granos redondeados tienen menor contacto entre sí y carecen de resistencia; la permeabilidad es alta. Los granos sub-angulares son comparativamente menos permeables que los redondos. Los granos angulares con bordes definidos dan más resistencia y menos permeabilidad. Los granos compuestos, al ser terrones duros, no son preferidos.

El óxido de silicio se obtiene de rocas de cuarzo o por descomposición de granito (compuesto de cuarzo y feldespatos).

El feldespatos al descomponerse se vuelve arcilla, que imparte plasticidad a la arena de moldeo en estado húmedo, es decir, imparte la acción de aglutinación necesaria y resistencia en presencia de humedad y aumenta su resistencia después del secado. Normalmente, la cantidad de arcilla en arena de sílice varía del 6 al 10%.

La arcilla en realidad consiste en limo fino (depósito mineral sin propiedad de aglutinación) y arcilla fina, que imparte la resistencia de aglutinación necesaria a la arena de moldeo para que el molde no pierda su forma después del apisonado. Sin embargo, disminuye la permeabilidad. Demasiada arcilla causa agrietamiento del molde después del secado.

Óxidos de hierro, magnesia, sosa, potasa, cal y agua son otras sustancias encontradas en la arena de moldeo. Una buena arena de moldeo contiene impurezas por debajo del 2 por ciento. El moldeo en arena verde se realiza con arena de bajo contenido de humedad (3 a 5%). En moldeo de arena seca, hay más agua al hacer el molde, ya que es beneficiosa para promover la resistencia de unión en seco después del almacenamiento.

Muchas veces se añade polvo de carbón que hace la arena más abierta y ayuda a enfriar el molde después de verter el metal. Absorbe una cantidad considerable de calor, evitando que los granos de arena se sobrecalienten y fundan. También libera CO₂ cuya película protectora ayuda a mantener el metal y la arena separados.

La Fig. 3.17 muestra cuatro tipos de granos de arena. El éxito de un proceso de fundición depende en gran medida de la resistencia a compresión, permeabilidad (tasa de flujo de gas a través de especímenes de arena bajo presión diferencial especificada), deformación, fluidez (capacidad de la arena para fluir alrededor y sobre el modelo durante el apisonado) y refractariedad de la arena de moldeo. La Fig. 3.18 muestra cómo el contenido de humedad en la arena de moldeo (para una relación arena-arcilla dada) afecta todas estas propiedades importantes.