Comprensión de los moldes de arena: definiciones, tipos y fundamentos de fundición metálica

En este artículo discutiremos sobre: 1. Definición de moldes de arena 2. Clasificación de moldes de arena 3. Alimentación de metal.

Definición de moldes de arena

Un molde de arena puede definirse como un contenedor de arena preformado en el que se vierte metal fundido y se deja solidificar. Después de la fundición, esta se remueve del molde de arena, el molde de arena generalmente se destruye. El molde se llena vertiendo el metal fundido en una abertura en la parte superior del molde y se hacen pasajes adecuados para permitir que el metal fluya a todas las partes del molde por gravedad.

Las fundiciones pequeñas o medianas se hacen generalmente en un flask — un contenedor rectangular en forma de caja, sin tapa ni fondo. El flask puede hacerse en dos o tres partes, y las partes se mantienen en alineación por pasadores de centrado. Es necesario apretar el flask antes de verter metal fundido en él, para evitar el efecto de flotación del metal fundido que levante la parte superior del flask.

Clasificación de moldes de arena

Según el material usado, los moldes podrían clasificarse como:

1. Moldes de arena verde
2. Moldes de piel seca (Skin-Dry)
3. Moldes de arena seca
4. Moldes unidos con cemento
5. Moldes metálicos

1. Moldes de arena verde (Green Sand Moulds)

Los moldes de arena verde son aquellos en los que hay humedad presente en la arena en el momento de verter el metal fundido. Los granos se mantienen unidos por arcilla húmeda. El nivel de humedad debe controlarse cuidadosamente. Se usan para fundir prácticamente todas las aleaciones ferrosas. La arena verde está disponible en muchos tipos y se usa para hacer moldes pequeños, medianos y a menudo grandes.

Los moldes de arena verde son los menos costosos de hacer ya que el material básico es más barato. Se puede obtener mayor producción del espacio de piso dado. No requieren operaciones o equipos de respaldo, pero se deben usar núcleos de arena seca. Al ser más blandos que los moldes de arena seca, permiten mayor libertad en la contracción cuando las fundiciones se solidifican y enfrían.

Además, el moldeo consume menos tiempo. Sin embargo, los moldes de arena verde tienen algunas desventajas: al no ser tan resistentes como otros, son propensos a dañarse durante el manejo o por erosión del metal. La humedad presente en la arena también puede causar ciertos defectos en la fundición como soplados, agujeros de gas, etc.

Estos moldes no pueden almacenarse por mucho tiempo. El acabado superficial de la fundición obtenida de molde de arena verde no es muy suave. A veces se añaden aditivos como polvo de carbón u materiales orgánicos y entonces se llama moldeo de barro.

La siguiente tabla (3.5) muestra la composición de arena verde para varios propósitos:

[Tabla omitida]

Los tres métodos comúnmente usados de moldeo en arena verde son:

(a) Método de arena abierta (Open Sand Method)

Es la forma más simple en la que todo el molde se hace en el piso de la fundición o en una cama de arena sobre el nivel del piso. Este método se emplea principalmente para fundiciones sólidas simples con tapas planas.

Después del nivelado adecuado, el modelo se presiona en la cama de arena para hacer el molde. No es necesario la caja de moldeo y la superficie superior del molde está abierta al aire. La cuenca de vaciado se hace en un extremo del molde, y el canal de desbordamiento se corta en los lados de la cavidad.

(b) Método de cama (Bedded-in Method)

En este método se necesita una copia, es decir, una cubierta de arena. Se usa cuando la superficie superior de la fundición no es plana. El modelo se martillea en la arena del piso de la fundición o en un arrastre lleno parcialmente con arena para formar la cavidad del molde. La parte superior del arrastre se alisa y se esparce arena de partición. Se coloca una copia sobre el modelo y se apisona.

Se cortan canales y alimentadores y se levanta la caja de la copia. El modelo se retira entonces, las superficies de los moldes de arrastre y copia se acaban y la copia se reemplaza en su posición correcta para completar el molde.

(c) Método de volteo (Turn-Over Method)

Este método se usa comúnmente para modelos sólidos y divididos. Una mitad del modelo se coloca con su lado plano en una tabla de moldeo, se apisona un arrastre y se voltea. Luego, la copia se coloca sobre la otra mitad del modelo y se apisona y voltea. Las dos mitades del modelo se sacuden y retiran. Ahora, la copia se coloca sobre el arrastre para ensamblar el molde.

2. Moldes de piel seca (Skin-Dry Moulds)

Estos se hacen de arena verde con secado de arena seca. En algunos casos, la humedad se seca de la capa superficial de arena apisonada a una profundidad de 25 mm por calentador o antorchas de gas. Son más comunes en moldes grandes y pueden usarse para fundir prácticamente todas las aleaciones ferrosas y no ferrosas.

Son menos costosos de construir que los moldes de arena seca pero más costosos que los de arena verde de tamaño dado. Tienen las ventajas de menos equipo, materiales más baratos, menos tiempo de preparación y menos espacio de piso en comparación con el moldeo de arena seca. Sin embargo, no son tan resistentes como los moldes de arena seca y no pueden almacenarse mucho tiempo ya que la humedad puede migrar a través de la piel seca.

3. Moldes de arena seca (Dry Sand Moulds)

Estos se hacen con arena que no requiere humedad para desarrollar resistencia. La mezcla de arena para trabajos pequeños y medianos consiste en 13 partes de arena de piso, 8 partes de arena nueva y 1 parte de estiércol de caballo o aserrín. Para trabajo pesado, estas proporciones son 11:9:1 y para trabajo extra pesado — 10:10:1.

La superficie del molde se rocía con agua de melaza. Todas las partes del molde se hornean en horno a 150-300°C (hasta que se elimina la humedad) para aumentar la resistencia, resistir la erosión y mejorar las condiciones superficiales. Los moldes de arena seca pueden usarse para muchas aleaciones pero se usan más comúnmente para fundiciones de acero.

Se usan mayormente en operaciones pequeñas y medianas. Para operaciones de mayor tamaño, los moldes de arena seca se hacen en secciones y se ensamblan después del horneado. Los moldes de arena seca son más resistentes y pueden manejarse más fácilmente con menos daño y también pueden almacenarse por más tiempo.

Resisten la erosión del metal, y la tendencia a defectos relacionados con la humedad se elimina. Las desventajas son: requieren material de moldeo más costoso, los costos de mano de obra son altos, y se necesitan operaciones, equipos y espacio extra.

4. Moldes unidos con cemento (Cement-Bonded Moulds)

En estos moldes, arena de sílice unida con cemento Portland se usa como material de moldeo, que se seca al aire. Estos moldes se usan más comúnmente para trabajo ferroso muy grande y moldeo en fosa y en otros casos donde el horneado es imposible. Tienen alta resistencia y poseen todas las ventajas de la arena seca.

Para estos moldes, se debe proporcionar espacio extra para la operación de secado al aire. Los materiales usados en estos moldes no pueden reutilizarse como otros moldes, por lo que el proceso se vuelve costoso.

5. Moldes metálicos (Metal Moulds)

Se usan para fundición a presión, molde permanente y procesos de fundición centrífuga.

Alimentación de metal en moldes de arena

Para atender los problemas de alimentación, particularmente cuando la fundición es compleja en tamaño y forma, es el aspecto más importante para asegurar fundiciones sanas. Los problemas se encuentran debido a la lenta tasa de abstracción de calor de una gran masa de metal. Esto resulta en minimizar gradientes de temperatura y dificultad para obtener solidificación direccional hacia el alimentador.

Mientras es fácil obtener solidificación direccional con aleaciones que tienen rango de congelación corto, es bastante difícil con aleaciones de rango de congelación amplio. La ubicación de alimentadores y risers para suministrar líquido caliente a secciones más gruesas, que pueden aislarse durante la solidificación, y para establecer gradientes de temperatura inicialmente, es muy importante. A veces los gradientes de temperatura pueden establecerse artificialmente usando bloques de enfriamiento (chills) dentro de los moldes, almohadillas aislantes y secciones cónicas.

Cabe notar que las cavidades de contracción son propensas a formarse en secciones como T y cruces, etc., que tardan más en solidificarse porque en tales casos el volumen de metal es mayor y el área superficial por donde el calor puede escapar es reducida. La solución, por tanto, radica en proporcionar formas en las que el volumen de metal disminuya y el área superficial por donde el calor puede escapar aumente.

En el caso de cruces, los mejores resultados pueden obtenerse ya sea escalonando la ubicación de las nervaduras, o introduciendo un orificio con núcleo en el centro del cruce, o usando una banda circular cuyas paredes sean más delgadas que las nervaduras rectas. Debe asegurarse que la última porción en solidificarse será alimentada con metal del alimentador. El diseño, dimensionamiento y ubicación de alimentadores, compuertas y canales es, por tanto, lo más importante.

Generalmente, los problemas de alimentación se resuelven mejor por experiencia, sin embargo, algunas reglas científicas y empíricas desarrolladas con experiencia servirán como buena guía para abordar este problema.

(i) Enfoque de transferencia de calor (Efecto raíz cuadrada del tiempo)

[Desarrollo matemático]

(ii) Regla de Chvorinov

Según la regla de Chvorinov, el espesor de una piel uniforme...

[Ecuación]

Así, para cualquier forma donde se mantengan las mismas condiciones de frontera de interfaz, según la regla de Chvorinov, el tiempo de solidificación es directamente proporcional al cuadrado de la relación volumen/área superficial.

Para asegurar que el metal en el alimentador se solidifique al final:

[Condición matemática]

Para el mismo volumen, el tiempo de solidificación aumentará progresivamente para las siguientes formas en orden porque sus áreas superficiales para los mismos volúmenes disminuyen:

1. Placas
2. Barras
3. Cuboides
4. Cilindros cortos
5. Esferas

Aunque teóricamente la esfera tarda más en solidificarse, no es factible para alimentadores. El cilindro corto es el más cercano y se afila para facilitar el moldeo.