Arena de Moldeo: Propiedades, Tipos y Producción en Fundición

¿Qué es la Arena de Moldeo?

La arena de moldeo es el material principal utilizado en las fundiciones para crear moldes. Se elige porque posee las propiedades esenciales para la fundición: refractariedad, permeabilidad y capacidad de mantener la forma bajo presión.

Orígenes de la Arena de Fundición

Todas las arenas se forman por la desintegración de rocas debido a la acción de fuerzas naturales como heladas, viento, lluvia, calor y corrientes de agua. Como las rocas son complejas en composición, las arenas contienen la mayoría de los elementos de las rocas de las que son fragmentos. Por esta razón, las arenas de moldeo varían considerablemente en diferentes partes del mundo. Hoy en día, la arena se obtiene de lugares que probablemente fueron lechos y orillas de ríos y dunas de arena.

En la India, las arenas de fundición se encuentran en las áreas de Damodar y Barakar, Santhal Pargana (Bihar), Batala (Gurdaspur, Punjab), Bhavnagar (Saurashtra), Londha (Maharashtra), Avadi y Veeriyambakam (Madras), Kanpur, Jabalpur, Rajkot, Guntur, en el Ganges y muchos otros lugares.

Ingredientes Principales

Los ingredientes principales de la arena de moldeo son: (1) granos de arena de sílice, (2) arcilla, (3) humedad y (4) materiales diversos.

Arena de Sílice

La sílice en forma de cuarzo granular, que es en sí misma una arena, es el componente principal de la arena de moldeo. La arena de sílice contiene entre 80% y 90% de dióxido de silicio y se caracteriza por una alta temperatura de reblandecimiento y estabilidad térmica.

Es producto de la desintegración de rocas de cuarzo o de la descomposición del granito, compuesto por cuarzo y feldespato. El feldespato, al descomponerse, se convierte en arcilla (silicato de aluminio hidratado). Sin embargo, los granos de arena de sílice confieren refractariedad, resistividad química y permeabilidad a la arena. Se especifican según su tamaño y forma promedio.

Arcilla

La arcilla se define como aquellas partículas de arena (menos de 20 micras de diámetro) que no se sedimentan a una velocidad de 25 mm por minuto cuando están suspendidas en agua. La arcilla consta de dos ingredientes: limo fino y arcilla verdadera. El limo fino es una especie de materia extraña o depósito mineral y no tiene poder aglutinante.

Es la arcilla verdadera la que proporciona la resistencia de aglutinación necesaria a la arena de moldeo, para que el molde no pierda su forma después del apisonado. La arcilla verdadera está compuesta por agregados extremadamente minúsculos de partículas cristalinas, generalmente en forma de escamas, llamadas minerales de arcilla. La mayoría de las arenas de moldeo para diferentes grados de trabajo contienen entre 5% y 20% de arcilla. La humedad, en la cantidad requerida, proporciona la acción aglutinante de la arcilla.

Cuando se agrega agua a la arcilla, esta penetra la mezcla y forma una película microscópica que recubre la superficie de las partículas de arcilla en forma de escamas. La calidad aglutinante de la arcilla depende del espesor máximo de la película de agua que puede mantener. La acción aglutinante se considera óptima si el agua agregada es la cantidad exacta requerida para formar la película. Por el contrario, la acción aglutinante se reduce y el molde se debilita si el agua es excesiva. El contenido de agua debe estar entre 2% y 8%.

Materiales Diversos

Los materiales diversos que se encuentran, además de la sílice y la arcilla, en la arena de moldeo son óxido de hierro, caliza, magnesia, sosa y potasa. Las impurezas deben ser inferiores al 2%.

Clasificación de la Arena de Moldeo

Los tipos de arena de moldeo pueden clasificarse generalmente en tres categorías: (1) arenas de moldeo naturales, (2) arenas sintéticas o de alta sílice, y (3) arenas especiales.

1. Arenas de Moldeo Naturales

Las arenas de moldeo naturales, llamadas arenas verdes, se extraen de lechos de ríos o se excavan de pozos. Poseen una cantidad apreciable de arcilla que actúa como aglutinante entre los granos de arena y se utilizan tal como se reciben, solo añadiendo agua. La cantidad y tipo de mineral de arcilla presente afectan la resistencia, tenacidad y refractariedad de la arena.

También se obtienen triturando y moliendo arenisca amarilla blanda, rocas carboníferas, etc. Durante la molienda, los agregados de arcilla se descomponen y las partículas de arcilla se distribuyen uniformemente sobre los granos de arena. La forma del grano de estas arenas debe ser subangular a redonda.

Debido a su fácil disponibilidad, bajo costo y alta flexibilidad operativa, las arenas de moldeo naturales se utilizan para la mayoría de las fundiciones ferrosas y no ferrosas ligeras. Los requisitos de estas arenas se cumplen según la norma IS: 3343-1965, que las clasifica en tres grados A, B y C, según su contenido de arcilla y temperatura de sinterización.

2. Arenas Sintéticas

Las arenas sintéticas son básicamente arenas de alta sílice que contienen poco (menos del 2%) o ningún aglutinante (arcilla) en forma natural. Se presentan como depósitos sedimentarios sueltos o mal consolidados, dunas arrastradas tierra adentro desde la costa o depósitos acumulados en estuarios y ríos costeros.

También se fabrican en la fundición triturando areniscas de cuarcita y luego lavando y clasificando estas para obtener un grado de arena con la forma y distribución de grano requeridas. La resistencia y propiedades de aglutinación deseadas se desarrollan mediante adiciones separadas como bentonita, agua y otros materiales.

Esto permite mayor flexibilidad en el contenido de propiedades como resistencia en verde y en seco, permeabilidades y otras que pueden variarse fácilmente. De hecho, por tanto, las arenas sintéticas son más caras que las naturales. La norma IS: 1987-1974 cubre los requisitos de arena de alta sílice para uso en fundiciones y la clasifica en tres grados según el contenido de sílice.

3. Arenas Especiales

Las arenas especiales son ideales para obtener características especiales que no se obtienen normalmente en otras arenas. Circonita, olivino, chamota, cromita y cromita-magnesita se utilizan a menudo como arenas especiales. Las arenas de circonita son adecuadas para núcleos de fundiciones de latón y bronce. Algunas fundiciones usan arena de olivino para fundiciones no ferrosas de naturaleza intrincada. La chamota es valiosa para fundiciones de acero pesado.

Las arenas de cromita y cromita-magnesita son particularmente útiles cuando se debe aumentar la tendencia al enfriamiento rápido para controlar la solidificación. También son adecuadas como materiales de revestimiento en moldes para fundiciones de acero.

Tipos de Arena de Moldeo según su Uso

Las arenas de moldeo pueden clasificarse nuevamente, según su uso, en varias variedades:

Arena Verde (Green Sand)

Es una mezcla de arena de sílice con 18% a 30% de arcilla, con un total de agua del 6% al 8%. La arcilla y el agua proporcionan el aglutinante para la arena verde. Es fina, blanda, ligera y porosa. Al estar húmeda, al apretarla en la mano, retiene la forma y la impresión dada bajo presión. Los moldes preparados con esta arena se conocen como moldes de arena verde.

Arena Seca (Dry Sand)

La arena verde que ha sido secada u horneada después de hacer el molde se llama arena seca. Son adecuadas para fundiciones más grandes. Los moldes preparados con esta arena se conocen como moldes de arena seca.

Arena de Barro (Loam Sand)

La arena de barro tiene alto contenido de arcilla, hasta un 50% aproximadamente, y se endurece al secar. Se emplea particularmente para moldeo en barro, usualmente para fundiciones grandes.

Arena de Revestimiento (Facing Sand)

La arena de revestimiento forma la cara del molde. Se usa directamente junto a la superficie del modelo y entra en contacto con el metal fundido cuando se vacía el molde. Por consiguiente, se somete a las condiciones más severas y debe poseer, por tanto, alta resistencia y refractariedad.

Está hecha de arena de sílice y arcilla, sin adición de arena usada. Se usan diferentes formas de carbono para evitar que el metal queme la arena. A veces se mezclan con 6 a 15 veces más arena de moldeo fina para hacer revestimientos. La capa de arena de revestimiento en un molde suele variar de 20 a 30 mm. Del 10% al 15% de la cantidad total de arena de moldeo usada en la fundición es arena de revestimiento.

Arena de Relleno (Backing Sand)

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

Arena de Sistema (System Sand)

En fundiciones mecánicas donde se emplea moldeo a máquina, se usa la llamada arena de sistema para llenar todo el cajón. En unidades mecánicas de preparación y manejo de arena, no se usa arena de revestimiento. La arena usada se limpia y reactiva mediante la adición de agua, aglutinantes y aditivos especiales. Esto se conoce como arena de sistema. Como todo el molde está hecho de esta arena, la resistencia, permeabilidad y refractariedad deben ser superiores a las de la arena de relleno.

Arena de Partición (Parting Sand)

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

Arena de Núcleo (Core Sand)

La arena usada para hacer núcleos se llama arena de núcleo, a veces llamada arena de aceite. Es arena de sílice mezclada con aceite de núcleo, compuesto por aceite de linaza, resina, aceite mineral ligero y otros materiales aglutinantes. Pez o harinas y agua pueden usarse en núcleos grandes por economía.

Propiedades de la Arena de Moldeo

Una arena de moldeo adecuada debe poseer seis propiedades fundamentales:

1. Porosidad (Permeabilidad): La propiedad más importante. Es la capacidad de la arena para permitir el paso de gases. Durante el vaciado del metal fundido en la cavidad del molde, se producen gases y vapor. Esta propiedad se ve afectada por la forma y tamaño de las partículas de arena, así como por la cantidad de arcilla, material aglutinante y humedad en la mezcla.
2. Fluidez (Flowability): La capacidad de la arena para llenar pequeños huecos en el modelo. Una alta fluidez produce un molde más preciso, útil para fundiciones detalladas.
3. Colapsibilidad (Collapsibility): La capacidad de la mezcla de arena para colapsar bajo fuerza. Una mayor colapsibilidad permite que la fundición metálica se contraiga libremente al solidificarse, evitando grietas en caliente o roturas.
4. Adhesividad (Adhesiveness): La propiedad que hace que las partículas de arena se adhieran a las paredes de la caja de moldeo. La adhesión permite el levantamiento adecuado del cope junto con la arena.
5. Cohesividad (Cohesiveness): La capacidad de las partículas de arena para mantenerse unidas. Es la resistencia a la tracción de la arena de moldeo. Crítica para retener formas intrincadas del molde. La adición de arcilla y bentonita mejora la cohesividad.
6. Refractariedad (Refractoriness): La capacidad de soportar altas temperaturas del metal fundido sin fundirse ni reblandecerse. Las arenas con baja refractariedad pueden incendiarse al verter metal fundido. Los moldes de arena deben soportar típicamente temperaturas de hasta 1650°C.
7. Resistencia (Strength): La resistencia de la arena que ha sido secada u horneada se llama resistencia en seco. Debe tener la resistencia para soportar fuerzas erosivas del metal fundido y retener su forma.

Proceso de Moldeo en Arena

La fundición en arena, también conocida como moldeo en arena o proceso de moldeo en arena, es un proceso de fabricación basado en fundición que utiliza un molde de arena. Se fabrican artículos y componentes metálicos de diversos tamaños y formas. Para poner su prevalencia en perspectiva, la fundición en arena representa más del 60% de todas las fundiciones metálicas. Las seis fases principales se describen a continuación:

Paso 1: Colocar el modelo en la arena

La colocación del modelo en la arena es la etapa inicial. El modelo tiene un impacto directo en el tamaño y forma de la fundición. Los fabricantes deben desarrollar nuevos modelos para producir artículos metálicos en tamaños y formas específicas.

Paso 2: Establecer un Sistema de Alimentación

Un sistema de alimentación se usa en casi todos los procesos de fundición. Canaliza el metal fundido hacia la cavidad del molde usando una copa de vaciado y túneles o "compuertas". Las empresas instalan este sistema después de colocar el diseño del modelo en la arena.

Paso 3: Retirar el Modelo

Después de colocar el sistema de alimentación, se retira el modelo de la arena. En este punto, el modelo ya no es necesario. La arena toma la forma del modelo cuando se coloca dentro. Por tanto, es posible retirar el modelo.

Paso 4: Verter metal fundido en la cavidad del molde

Es el momento de verter el metal fundido en la cavidad. Hierro, acero, aluminio, bronce, magnesio, zinc y estaño son solo algunos de los metales y aleaciones que pueden fundirse en arena. Las organizaciones pueden necesitar calentar metales hasta 3000°F (aprox. 1650°C), dependiendo del metal exacto. El metal se vierte una vez que se ha transformado de sólido a líquido.

Paso 5: Esperar a que el metal se enfríe

Las empresas deben esperar a que el metal fundido se enfríe una vez vertido. Diferentes metales requieren tiempos de enfriamiento variables. El metal fundido se enfriará y pasará de líquido a sólido.

Paso 6: Romper el molde para extraer la fundición

Romper el molde para extraer la fundición metálica recién generada es el sexto y último paso. Los modelos suelen ser reutilizables, pero los moldes no. Por tanto, cada vez que se quiera hacer un nuevo producto, se debe desarrollar un nuevo molde.

Colapsibilidad de la Arena de Moldeo

La colapsibilidad se refiere a la capacidad de la arena para ser removida fácilmente de la fundición una vez solidificada. Las arenas con baja colapsibilidad se adhieren tenazmente a la fundición. Una arena con mala colapsibilidad inducirá agrietamiento y desgarro en caliente en fundiciones que se flexionan mucho al enfriarse o tienen rangos de temperatura de congelación largos. Para mejorar la colapsibilidad, pueden introducirse ciertos aditivos.

Preguntas de Opción Múltiple (MCQ)

1. La permeabilidad se define como la propiedad de la arena de moldeo:

• A. mantener unidos los granos de arena
• B. permitir que los gases escapen fácilmente del molde
• C. resistir el calor del fundido sin mostrar signos de reblandecimiento
• D. ninguna de las anteriores

Respuesta: Opción B

2. ¿Por qué debe ser porosa la arena de moldeo?

• A. Para que entren gases
• B. Para que entre agua
• C. Para que escapen los gases
• D. Para que escape el agua

Respuesta: Opción C
Explicación: Una arena de moldeo se define como una arena que tiene poros y puede contener cierta humedad. Un moldeo debe contener poros y ser poroso para que los gases escapen libremente.

Este artículo cubrió todos los temas sobre arena de moldeo: qué es, sus propiedades, proceso de moldeo en arena verde, arena seca, colapsibilidad y algunos MCQs basados en estos temas.