Arena de Moldeo Explicada: Tipos, Propiedades y Usos en Fundición

¿Qué es la Arena de Moldeo?

La arena de moldeo, también conocida como arena de fundición, es arena que cuando se humedece y compacta, se aceita o se calienta, tiende a compactarse bien y mantener su forma. Se utiliza en el proceso de fundición en arena para preparar la cavidad del molde.

El material principal utilizado en moldeo es la arena de moldeo porque proporciona varias características importantes que no se obtienen 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:

• 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 / Arena Verde

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, permitiendo parcheo y acabado fácil de los moldes.

La arena verde es un agregado de arena, arcilla bentonita, carbón pulverizado y agua. Su uso principal es fabricar moldes para fundición de metales. La mayor parte del agregado es siempre arena, que a menudo es una mezcla uniforme de una forma de sílice.

Existen muchas recetas para la proporción de arcilla, pero todas logran diferentes equilibrios entre moldeabilidad, acabado superficial y la capacidad del metal fundido caliente para desgasificar. El carbón, típicamente llamado carbón de mar, presente en una proporción menor al 5%, se combustiona parcialmente en la superficie del metal fundido provocando desprendimiento de vapores orgánicos.

La fundición en arena es una de las formas más antiguas de fundición practicadas debido a la simplicidad de los materiales involucrados. Sigue siendo una de las formas más baratas de fundir metales por esa misma simplicidad. Otros métodos, como los que usan coquilla, ofrecen mayor calidad de acabado superficial pero tienen mayor costo.

La arena verde (como otras arenas de fundición) suele alojarse en lo que los fundidores llaman "flask" (cajones), que son cajas sin fondo ni tapa. La caja se divide en dos mitades que se apilan juntas en uso. Las mitades se denominan respectivamente cope (cajón superior) y drag (cajón inferior).

No toda la arena verde es de color verde. Se considera "verde" en el sentido de que se usa en estado húmedo (similar a la madera verde). Según la Federación de Metales Fundidos, un método alternativo es secar al calor la arena moldeada antes de verter el metal fundido. Este proceso de fundición en arena seca resulta en un molde más rígido, mejor adaptado para fundiciones pesadas.

Arena Sintética

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

La composición de arena verde sintética para fundiciones de acero es:

Arena de sílice nueva — 25%, arena vieja — 70%, Bentonita — 1.5%, Dextrina — 0.25%, y humedad — 3 a 3.5%.

La composición de arena sintética seca para fundiciones de acero es:

Arena de sílice neta — 15%, arena vieja 84%, Bentonita — 0.5%, y 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 también pueden clasificarse en varios tipos según su uso: arena de respaldo, arena de núcleo, arena seca, arena de cara, arena verde, arena de lodo, arena de separación, arena de sistema.

1. Arena de respaldo o arena de piso

La arena de respaldo o de piso se usa para respaldar la arena de cara y llenar todo el volumen del cajón de moldeo. A veces se llama arena negra porque la arena de moldeo vieja, usada repetidamente, es de color negro debido a la adición de polvo de carbón y la quema al contacto con el metal fundido.

2. Arena de núcleo

La arena de núcleo se usa para fabricar núcleos y a veces también se conoce como arena de aceite. Es arena de sílice altamente rica mezclada con aglutinantes de aceite como aceite de núcleo, compuesto por aceite de linaza, resina, aceite mineral ligero y otros materiales aglutinantes. Pez o harinas y agua también pueden usarse en núcleos grandes por economía.

3. Arena seca

Arena verde que ha sido secada u horneada en un horno adecuado después de fabricar el molde y núcleos se llama arena seca. Posee mayor resistencia, rigidez y estabilidad térmica. La arena seca se usa principalmente para fundiciones más grandes. Los moldes preparados con esta arena se conocen como moldes de arena seca.

4. Arena de cara

La arena de cara forma la cara del molde. Está junto a la superficie del modelo y entra en contacto con el metal fundido cuando se vierte el molde. El recubrimiento inicial alrededor del modelo y, por tanto, para la superficie del molde lo da la arena de cara. Tiene alta resistencia y refractariedad. Se hace de arena de sílice y arcilla, sin usar arena ya usada.

Diferentes formas de carbono se usan en la arena de cara para evitar que el metal queme la arena. Una mezcla de arena de cara para arena verde de hierro fundido puede consistir en 25% fresca y especialmente preparada y 5% carbón de mar.

A veces se mezclan con 6-15 veces más arena de moldeo fina para hacer caras. La capa de arena de cara en un molde suele oscilar entre 20-30 mm. Del 10 al 15% de la cantidad total de arena de moldeo es arena de cara.

5. Arena verde

La arena verde también se conoce como arena templada o natural, que es una mezcla recién preparada de arena de sílice con 18 a 30% de arcilla, teniendo contenido de humedad del 6 al 8%. La arcilla y el agua proporcionan el aglutinante para la arena verde. Es fina, suave, ligera y porosa.

La arena verde está húmeda cuando se aprieta en la mano y retiene la forma y la impresión que se le da bajo presión. Los moldes preparados con esta arena no requieren respaldo y por tanto se conocen como moldes de arena verde.

La arena verde está fácilmente disponible y tiene bajo costo. Se emplea comúnmente para la producción de fundiciones ferrosas y no ferrosas.

6. Arena de lodo

La arena de lodo es una mezcla de arena y arcilla con agua hasta formar una pasta plástica delgada. Posee alta arcilla, hasta 30-50% y 18% de agua. No se usan modelos para moldeo en lodo y la forma se da al molde mediante plantillas. La arena de lodo se emplea particularmente para moldeo en lodo usado para fundiciones grandes de hierro gris.

7. Arena de separación

La arena de separación sin aglutinante ni humedad se usa para evitar que la arena verde se pegue al modelo y permitir que la arena se separe en la superficie de partición del cope y drag sin adherirse. Es arena de sílice limpia y libre de arcilla que cumple el mismo propósito que el polvo de separación.

8. Arena de sistema

En fundiciones mecanizadas donde se emplea moldeo a máquina. La arena de sistema se usa para llenar todo el cajón de moldeo. En unidades mecánicas de preparación y manejo de arena, no se usa arena de cara. La arena usada se limpia y reactiva añadiendo agua y aditivos especiales.

Esto se conoce como arena de sistema. Dado que todo el molde está hecho de esta arena, las propiedades como resistencia, permeabilidad y refractariedad deben ser superiores a las de la arena de respaldo.

Propiedades de la Arena de Moldeo

Las propiedades básicas requeridas en arena de moldeo y arena de núcleo son: adhesividad, cohesividad, colapsabilidad, fluidez, resistencia en seco, resistencia en verde, permeabilidad, refractariedad, descritas a continuación.

1. Adhesividad

La adhesividad es la propiedad de la arena de moldeo para pegarse o adherirse a material extraño, como pegarse a la pared interior de la caja de moldeo.

2. Cohesividad

La cohesividad es la propiedad de la arena de moldeo por la cual las partículas de grano interactúan y se atraen entre sí dentro de la arena. Así, la capacidad de aglutinación de la arena de moldeo se mejora para aumentar las propiedades de resistencia en verde, en seco y en caliente de la arena de moldeo y núcleo.

3. Colapsabilidad

Después de que el metal fundido en el molde se solidifica, el molde de arena debe ser colapsable para que ocurra la contracción libre del metal y esto evitaría naturalmente el desgarro o agrietamiento del metal en contracción. En ausencia de colapsabilidad, la contracción del metal es impedida por el molde y resulta en rasgaduras y grietas en la fundición. Esta propiedad es altamente requerida en núcleos.

4. Resistencia en seco

Tan pronto como el metal fundido se vierte en el molde, la humedad en la capa de arena adyacente al metal caliente se evapora y esta capa de arena seca debe tener resistencia suficiente para mantener su forma y evitar la erosión de la pared del molde durante el flujo del metal fundido. La resistencia en seco también previene el agrandamiento de la cavidad del molde causado por la presión metalostática del metal líquido.

5. Fluidez o plasticidad

La fluidez o plasticidad es la capacidad de la arena para compactarse y comportarse como un fluido. Fluirá uniformemente a todas las porciones del modelo cuando se apisona y distribuirá la presión del apisonado uniformemente en todas direcciones.

Generalmente, las partículas de arena resisten moverse alrededor de esquinas o proyecciones. En general, la fluidez aumenta con la disminución de la resistencia en verde y viceversa. La fluidez aumenta con la disminución del tamaño de grano de la arena. La fluidez también varía con el contenido de humedad y arcilla en la arena.

6. Resistencia en verde

La arena verde después de mezclar agua debe tener resistencia y tenacidad suficientes para permitir la fabricación y manipulación del molde. Para esto, los granos de arena deben ser adhesivos, es decir, capaces de adherirse a otro cuerpo y, por tanto, los granos con alta adhesividad se pegarán a los lados de la caja de moldeo.

Además, los granos de arena deben tener la propiedad de cohesividad, es decir, la capacidad de los granos para pegarse entre sí. En virtud de esta propiedad, el modelo puede retirarse del molde sin romperlo, y tampoco ocurre erosión de las superficies de la pared del molde durante el flujo del metal fundido.

La resistencia en verde también depende de la forma y tamaño del grano, cantidad y tipo de arcilla y contenido de humedad.

7. Permeabilidad

La permeabilidad también se denomina porosidad de la arena de moldeo para permitir la salida de cualquier aire, gases o humedad presentes o generados en el molde cuando se vierte el metal fundido. Todos estos gases generados durante el vertido y solidificación deben escapar, de lo contrario la fundición se vuelve defectuosa.

La permeabilidad es función del tamaño de grano, forma del grano, y contenidos de humedad y arcilla en la arena de moldeo. El grado de apisonado de la arena afecta directamente la permeabilidad del molde. La permeabilidad del molde puede aumentarse aún más mediante ventilación usando varillas de ventilación.

8. Refractariedad

La refractariedad se define como la capacidad de la arena de moldeo para soportar altas temperaturas sin descomponerse o fundirse, facilitando así obtener fundiciones sanas. Es una característica altamente importante de las arenas de moldeo. La refractariedad solo puede aumentarse hasta cierto punto.

La arena de moldeo con poca refractariedad puede quemarse sobre la superficie de la fundición y no se puede obtener una superficie de fundición lisa. El grado de refractariedad depende del contenido de SiO2 (cuarzo), y la forma y tamaño de grano de la partícula.

Cuanto mayor el contenido de SiO2 y más rugosa la composición volumétrica del grano, mayor es la refractariedad de la arena de moldeo y arena de núcleo. La refractariedad se mide por el punto de sinterización de la arena más que por su punto de fusión.

9. Propiedades misceláneas de la arena de moldeo

Además de los requisitos anteriores, la arena de moldeo no debe pegarse a la fundición y no debe reaccionar químicamente con el metal. Debe ser económicamente barata y fácilmente disponible en la naturaleza. Debe ser reutilizable por razones económicas. Sus coeficientes de expansión térmica deben ser suficientemente bajos.