Comprendiendo la Arena de Moldeo: Tipos, Propiedades y su Papel en el Vaciado en Arena

¿Qué es la Arena de Moldeo?

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

La materia prima principal en moldeo es la arena de moldeo porque proporciona varias características importantes que no se obtienen de otros materiales. Se define como partículas granulares resultantes de la descomposición de rocas por acción de fuerzas naturales: heladas, viento, lluvia, calor y corrientes de agua. Las rocas tienen 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 fondos y orillas de ríos y lagos. Se clasifica en categorías según la naturaleza de su origen.

Los constituyentes 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 contenido de humedad por largo tiempo, amplio rango de trabajo de humedad, permitiendo parcheo y acabado fácil de moldes.

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

Hay muchas recetas para la proporción de arcilla, pero todas logran diferentes equilibrios entre moldeabilidad, acabado superficial y capacidad del metal fundido caliente para desgasificar. El carbón, típicamente llamado carbón de mar, presente en menos del 5%, se combustiona parcialmente en la superficie del metal fundido llevando a desgasificación de vapores orgánicos.

El vaciado en arena es una de las formas más antiguas de fundición por la simplicidad de materiales. 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 pero mayor coste.

La arena verde (como otras arenas de fundición) suele alojarse en lo que los fundidores llaman "flask" (caja de moldeo), que son cajas sin fondo ni tapa. La caja se divide en dos mitades apiladas. Las mitades se llaman cope (superior) y drag (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 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 arena seca resulta en un molde más rígido, mejor para fundiciones pesadas.

Arena Sintética

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

Composición de arena verde sintética para fundición 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 fundición de acero:

Arena de sílice neta — 15%, arena vieja 84%, Bentonita — 0,5%, humedad — 0,5%.

Además, existen variedades de arenas especiales como Circonita, Olivina, etc. Estas arenas son más caras que la sílice y 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 núcleos, arena seca, arena de cara, arena verde, arena de barro, arena de separación, arena de sistema.

1. Arena de respaldo o arena de piso

Se usa para respaldar la arena de cara y llenar todo el volumen de la caja de moldeo. A veces llamada arena negra porque la arena vieja, usada repetidamente, es negra por el polvo de carbón y combustión al contacto con metal fundido.

2. Arena de núcleos

Usada para hacer núcleos, también conocida como arena de aceite. Arena de sílice muy rica mezclada con aglutinantes de aceite como aceite de núcleo (aceite de linaza, resina, aceite mineral ligero, otros aglutinantes). Brecha o harinas y agua también pueden usarse en núcleos grandes por economía.

3. Arena seca

Arena verde secada u horneada en horno adecuado tras hacer molde y núcleos. Posee mayor resistencia, rigidez y estabilidad térmica. Se usa principalmente para fundiciones grandes. Molde preparado en esta arena se conoce como molde de arena seca.

4. Arena de cara

Forma la cara del molde. Está junto a la superficie del modelo y contacta con metal fundido al vaciar. 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. Hecha de arena de sílice y arcilla, sin arena ya usada.

Diferentes formas de carbono se usan en arena de cara para evitar que el metal queme la arena. Una mezcla 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 ser de 20-30 mm. Del 10 al 15% del total de arena de moldeo es arena de cara.

5. Arena verde

También conocida como arena templada o natural, mezcla recién preparada de arena de sílice con 18-30% arcilla, con contenido de humedad 6-8%. La arcilla y el agua proporcionan el aglutinante. Es fina, suave, ligera y porosa.

La arena verde está húmeda al apretar en la mano y retiene la forma y la impresión dada bajo presión. Los moldes preparados con esta arena no requieren respaldo y se conocen como moldes de arena verde.

Fácilmente disponible y bajo coste. Comúnmente empleada para producción de fundiciones ferrosas y no ferrosas.

6. Arena de barro (Loam sand)

Mezcla de arena y arcilla con agua hasta pasta plástica delgada. Posee alta arcilla (30-50%) y 18% agua. No se usan modelos para moldeo de barro; la forma se da al molde por plantillas (sweeps). Empleada particularmente para moldeo de barro usado en fundiciones grandes de hierro gris.

7. Arena de separación

Arena sin aglutinante ni humedad para evitar que la arena verde se pegue al modelo y permitir que la arena se separe en la superficie de partición cope y drag sin adherirse. Arena de sílice limpia y libre de arcilla que sirve igual que el polvo de separación.

8. Arena de sistema

En fundiciones mecanizadas donde se emplea moldeo por máquina. La arena de sistema llena toda la caja de moldeo. En unidades de preparación y manejo mecánico 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. Como todo el molde es de esta arena, propiedades como resistencia, permeabilidad y refractariedad deben ser superiores a las de arena de respaldo.

Propiedades de la Arena de Moldeo

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

1. Adhesividad

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

Propiedad por la cual los granos de arena interactúan y se atraen entre sí dentro de la arena de moldeo. Así, la capacidad de aglutinación mejora, aumentando las propiedades de resistencia en verde, seco y en caliente de arena de moldeo y núcleos.

3. Colapsabilidad

Tras solidificarse el metal fundido en el molde, la arena debe ser colapsable para que la contracción libre del metal ocurra, evitando roturas o grietas en el metal contraído. Sin colapsabilidad, la contracción se ve obstaculizada por el molde, resultando en grietas y roturas en la fundición. Propiedad altamente requerida en núcleos.

4. Resistencia en seco

Al verter metal fundido en el molde, la humedad en la capa de arena adyacente al metal caliente se evapora y esta capa seca debe tener resistencia suficiente para mantener su forma y evitar erosión de la pared del molde durante el flujo del metal. También previene agrandamiento de la cavidad por presión metallostática del metal líquido.

5. Fluidez o plasticidad

Capacidad de la arena para compactarse y comportarse como fluido. Fluirá uniformemente a todas las porciones del modelo al apisonar y distribuirá la presión uniformemente en todas direcciones.

Generalmente, los granos de arena resisten moverse alrededor de esquinas o proyecciones. En general, la fluidez aumenta con disminución de resistencia en verde y viceversa. Aumenta con disminución del tamaño de grano. También varía con humedad y contenido de arcilla.

6. Resistencia en verde

La arena verde tras mezclar agua debe tener resistencia y tenacidad suficiente para permitir la fabricación y manipulación del molde. Para esto, los granos deben ser adhesivos, capaces de adherirse a otro cuerpo; granos con alta adhesividad se pegarán a los lados de la caja.

También deben tener cohesividad, capacidad de los granos para pegarse entre sí. Por esta propiedad, el modelo puede sacarse del molde sin romperlo, y no ocurre erosión de paredes durante el flujo del metal.

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

7. Permeabilidad

También llamada porosidad de la arena de moldeo para permitir escape de aire, gases o humedad presentes o generados en el molde al verter metal fundido. Todos estos gases generados durante vaciado y solidificación deben escapar, de lo contrario la fundición resulta defectuosa.

La permeabilidad es función de tamaño de grano, forma, humedad y contenido de arcilla. El grado de apisonado afecta directamente la permeabilidad. Puede aumentarse aún más por ventilación usando varillas de ventilación.

8. Refractariedad

Definida como la capacidad de la arena de moldeo para soportar altas temperaturas sin descomponerse ni fundirse, facilitando fundiciones sanas. Es característica altamente importante. Solo puede aumentarse hasta cierto límite.

Arena con pobre refractariedad puede quemarse sobre la superficie de la fundición y no se obtiene superficie lisa. El grado depende del contenido de SiO₂ (cuarzo), y forma y tamaño de partícula.

Mayor contenido de SiO₂ y composición volumétrica de grano más rugosa dan mayor refractariedad. Se mide por punto de sinterización, no por punto de fusión.

9. Propiedades misceláneas

Además, la arena no debe pegarse a la fundición ni reaccionar químicamente con el metal. Debe ser barata y fácilmente disponible. Debe ser reutilizable por economía. Sus coeficientes de expansión térmica deben ser suficientemente bajos.