Dominando la Arena de Fundición: Guía Experta para el Moldeo en Arena Verde

Cómo hacer arena verde para fundición de metales

La arena de moldeo es el corazón del proceso de fundición en arena. Debe mantener bien la forma y capturar los detalles finos de una fundición, pero ser lo suficientemente permeable para permitir que los gases escapen. Bajo la tensión de extraer el modelo de moldeo o mientras se llena, no puede desmoronarse ni hundirse. Al voltearse, no debe perder su forma: las partes del molde deben mantenerse fieles mientras están sujetas.

En la mayoría de los casos, la arena "verde" basta para evidenciar estas propiedades. La arena verde no se llama así por su color —estos materiales pueden tener una amplia gama de colores según su composición y uso—. Recibe su nombre porque está húmeda, como la madera verde.

Los aspectos mecánicos de la arena se miden antes de usarse en la planta de fundición. Técnicos o ingenieros de fundición compactan cilindros de arena y realizan pruebas. Cada vez más, estas pruebas se hacen con dispositivos computarizados capaces de muchos puntos de precisión.

La permeabilidad de la arena es el "poder de ventilación" del material —cuánto gas permite escapar del molde—. La resistencia a compresión en verde captura cuánta compresión puede soportar la arena antes de empezar a desmoronarse. La resistencia al corte en verde mide la resistencia contra fallo estructural bajo tensión de corte: una fuerza que produce fallo por deslizamiento paralelo a su dirección. Las arenas también se prueban para su resistencia en seco, pues generalmente pierden humedad durante el llenado. También se verifica la resistencia en caliente (comportamiento a temperaturas elevadas). ¿Harán que el molde se desmorone el alto calor de la fundición?

A menudo se realizan varias pruebas auxiliares, incluyendo contenido de humedad, contenido de arcilla y examen del tamaño de grano. Un ingeniero de fundición será el responsable del control de las propiedades de la arena y podría hacer varios ajustes durante la vida útil de la arena para mantenerla en buen estado de trabajo.

La mezcla especial que crea la arena de fundición proporciona el comportamiento necesario. El ingrediente principal es una arena mineral con tamaño de grano consistente. El tamaño del grano de la arena afectará el acabado de la fundición, pero también a veces la permeabilidad y porosidad del molde. Este ingrediente por sí solo no basta: se añade un material aglutinante, usualmente arcilla, y la mezcla se humedece con agua.

Las arenas aglutinadas naturalmente son mezclas de sílice y arcilla tal como se extraen de la tierra, aunque a menudo con algún ajuste de proporciones para obtener las propiedades adecuadas. Las arenas aglutinadas naturalmente se usan en fundiciones de hierro gris, hierro dúctil, hierro maleable y no ferrosas (excepto magnesio). Las arenas aglutinadas sintéticamente se producen combinando arena libre de arcilla con cantidades precisas de arcilla o bentonita. Son más uniformes que las naturales pero requieren mezclado y control más cuidadosos. Fundiciones de acero, de hierro gris y maleable, y de magnesio usan este tipo de arena. Para núcleos, u otras arenas que deben endurecerse lo suficiente para ser objetos que se puedan levantar o mover, el aglutinado sintético suele ser necesario.

Hay varias opciones disponibles para una fundición al mezclar una receta para fundición en arena.

Arenas minerales

La mezcla en fundiciones suele ser 75-85% arena, siendo el resto arcilla, agua y otros aditivos. La arena puede encontrarse naturalmente, usualmente de un lago, o crearse tras la minería y estandarización de minerales libres de arcilla.

Olivino

Tradicionalmente, se usaba arena de olivino para fundición de metales tanto en fundiciones ferrosas como no ferrosas. Esta arena podía producir un acabado fino al enfriar el metal rápidamente, y creaba un ambiente de muy bajo polvo que no es peligroso para respirar. Se consideraba una arena de fundición "permisiva", que aceptaba bien los modelos y no se expandía al calentarse, pero su resistencia a la tracción no es muy alta. Las arenas de sílice siempre han sido preferidas para núcleos. Algunas arenas de olivino tendrían un ligero tinte verdoso, pero es una coincidencia —como todo lo demás, puede venir tanto "seca" como "verde".

Las arenas de olivino ya no se extraen en Estados Unidos, así que, al menos en Norteamérica, ya no son la fuente principal de arena de fundición.

Sílice

Las fundiciones ferrosas (las que tratan hierro y acero) suelen usar arena de sílice, a veces conocida como arena de cuarzo. La arena de sílice se ha usado largo tiempo en la fabricación de núcleos, así que cambiar a usar el mismo agregado en todo el proceso de fundición ha facilitado la gestión de suministros de fundición.

Las fundiciones que usan este producto toman precauciones adicionales menores contra la silicosis, una enfermedad que puede formarse en los pulmones de quienes han inhalado muchas partículas de sílice. A veces se usan respiradores o mascarillas de filtrado.

Arcilla en arena verde

La arena verde suele ser 10% arcilla bentonita. A nivel molecular, esta arcilla contiene una mezcla absorbente de sílice y aluminio, y comúnmente también tiene potasio, sodio o calcio. La bentonita cálcica es la arcilla más usada en el proceso de fundición verde.

La arcilla bentonita se extrae y limpia antes de usarse en diversas aplicaciones. Aunque tiene muchos usos industriales y de construcción, los usos de consumo más comunes de la bentonita son en arena para gatos y productos cosméticos como mascarillas faciales, donde se usa por sus propiedades absorbentes.

Otros aditivos para fundición en arena verde

La humedad es un componente importante en toda fundición en arena verde. El agua se añade generalmente al 2-5% del peso de la mezcla. Los enlaces hidrostáticos entre moléculas de agua fortalecen la arena: son estos enlaces los que construyen castillos de arena con arena mojada en la playa, y las mismas fuerzas actúan en la fundición. Es el agua la que aumenta la capacidad de la arena verde para manejar tensión de corte y compresión.

Aditivos especiales pueden usarse además de la arena, arcilla y agua básicos. Estos incluyen cereales, brea molida, carbón marino, gilsonita, fuel oil, harina de madera, harina de sílice, óxido de hierro, perlita, melaza, dextrina y materiales patentados. Todos sirven para alterar propiedades específicas de la arena para dar resultados deseados.

Las arenas de cara, para dar mejor superficie a la fundición, se usan para fundiciones de hierro gris, hierro maleable, acero y magnesio. Las arenas de hierro suelen contener carbón marino, un carbón finamente molido que evita que la arena se adhiera a la fundición generando una película de gas al contacto con metal caliente. Para fundiciones que usan carbón marino en todas sus arenas, la mezcla lleva unos 5% de polvo de carbón. La gilsonita cumple el mismo propósito, pues produce gases que evitan que la arena se pegue o porosidad por nitrógeno.

Las caras para acero pueden contener harina de sílice u otro material muy fino y altamente refractario para formar una superficie densa que el metal no pueda penetrar fácilmente. La arena de olivino también se usaba para fundiciones con acero al manganeso, pues la combinación de arena de olivino y manganeso daba buen acabado.

Los lavados de molde son recubrimientos aplicados a la superficie del molde o núcleo para mejorar el acabado de la fundición. Se aplican húmedos o secos. La práctica habitual es cepillar o rociar los lavados húmedos y cepillar o frotar los secos. Grafito o harina de sílice mezclados con arcilla y agua de melaza se usan frecuentemente. Los lavados suelen mezclarse con disolventes base agua o base alcohol. Las soluciones base alcohol pueden encenderse con llama, incendiando el alcohol y curando el molde instantáneamente. Las soluciones base agua requieren tiempo de secado en horno, durante el cual el lavado fragua y se elimina el exceso de humedad.

Preparación y manejo de arena

La arena se prepara en amasadoras, que combinan la arena, agente aglutinante y agua. Estas amasadoras no solo revuelven los diferentes elementos de la arena de fundición. En su lugar, se necesita presión para recubrir cada grano de arena uniformemente con la arcilla u otro material aglutinante. Luego se usan aireadores para aflojar la arena de nuevo y hacerla más apta para el moldeo.

Cortadoras de arena que operan sobre un montón en el suelo de la fundición pueden usarse en lugar de amasadoras. La entrega de arena al suelo de moldeo puede ser mediante camiones volquete o pala, o por cintas transportadoras.

Durante el proceso de fundición, la arena se forma en moldes que pueden colocarse en el suelo o entregarse por transportadores a una estación de vaciado. Después del vaciado, las fundiciones se sacuden fuera de la arena. La arena usada, a su vez, se devuelve a los silos de almacenamiento por cinta transportadora u otros medios.

Reciclaje de arena de fundición

La arena de fundición puede usarse muchas veces antes de agotarse y no poder rehabilitarse. Esta arena solía ir a vertedero, sin embargo, la reutilización y reciclaje se ha vuelto un punto de interés. La EPA sugiere que la arena de fundición usada del proceso de moldeo puede usarse seguro en suelos, tanto tierra para macetas como tierra vegetal manufacturada. También puede usarse como capa de cimentación para carreteras, o como agregado en la fabricación de cemento.

Una receta simple con muchas variaciones

Para hacer arena verde en casa, solo se necesita arena, arcilla y agua. La arena para gatos aglomerante es una fuente barata de bentonita pero necesitará molienda fina antes de añadirla: la bentonita finamente molida es una fuente más cara vendida como producto de belleza. Arena de sílice finamente molida está disponible en la mayoría de ferreterías. 9 partes de sílice por 1 de bentonita, más agua solo para humedecer, es una proporción casera fácil de recordar. El mezclado debe ser muy minucioso e incluir mucho apretar, prensar y untar, para recubrir cada grano de arena con una capa de arcilla.

Esta receta puede usarse para fundición en arena rudimentaria —¡o para los mejores castillos de arena de la cuadra!