Arena de Moldeo Explicada: Composición, Usos y Beneficios en Fundición en Arena

Se usa en fundición en arena para preparar la cavidad del molde. Comúnmente llamada arena verde, es un agregado de arena, arcilla bentonita, polvo de carbón y agua. Su principal uso: moldes para fundición de metales. La mayor parte es siempre arena, a menudo mezcla homogénea de sílice.

Hay muchas recetas de proporciones de arcilla, pero todas equilibran moldeabilidad, acabado superficial y capacidad de desgasificación del metal fundido. Carbón (carbón marino), <5 %, quema parcialmente en superficie del metal fundido, generando desgasificación de vapores orgánicos.

La fundición en arena es uno de los métodos más antiguos por simplicidad de materiales, y sigue siendo de los más baratos. Otros métodos (coquilla) dan mejor acabado pero mayor coste. La arena verde (como otras arenas de fundición) se almacena en "flasks" (bastidores): cajas sin fondo ni tapa, divididas en dos mitades apiladas (copete y bastidor de moldeo).

Un modelo de bronce especializado se introduce en arena verde formando cavidad hueca continua. Se llena con metal fundido y se obtiene la fundición. No toda arena verde es verde; "verde" significa que se usa húmeda (como madera verde). Algunas fuentes indican que otros métodos secan la arena antes de verter metal (fundición en seco), resultando molde más rígido para fundiciones pesadas.

Historia de la Arena de Moldeo

No hay registros explícitos del primer moldeo metálico y uso de arena de fundición, pero artefactos y escrituras datan ~3200 a.C. en Mesopotamia. Historia difícil de estudiar por anteceder a la escritura.

Arena de moldeo usada exclusivamente para fundiciones de bronce pioneras por chinos. Avance importante en India 500 a.C.: acero de crisol. Sir Humphrey Davy fundió aluminio en Gran Bretaña ~1808.

Capacidad actual EE. UU.: >8 Mt hierro, 1,4 Mt acero, 1,7 Mt aluminio, 321 kt cobre. La industria moderna ha innovado por aumento masivo de calidad de arena, mejores utillajes, metalurgia y comprensión de propiedades de metales.

Fuentes de Arena de Moldeo

Fuentes: playas, ríos, lagos, desiertos, rocas granulares. Dos tipos: natural o sintética.

• Natural: contiene aglutinante suficiente.
• Sintética: preparada artificialmente con ingredientes base (cuarzo 85-91 %, aglutinante 6-11 %, humedad 2-8 %) y aditivos en proporciones de peso con mezcla y molienda perfectas.

Ingredientes de la Arena de Moldeo

Componentes principales: arena de cuarzo, aglutinante, humedad, aditivos. Cuarzo granular sílice es el principal, con refractariedad suficiente para dar resistencia, estabilidad y permeabilidad a arena de moldeo y nucleos.

Junto con sílice, pequeñas cantidades de óxido de hierro, alúmina, caliza (CaCO₃), óxido de magnesio, sosa y potasa como impurezas. Composición química del cuarzo indica impurezas (cal, MgO, álcalis). Exceso de óxido de hierro, óxidos alcalinos y cal baja punto de fusión (indeseable). Cuarzo determinado por tamaño de grano y forma (angular, subangular, redondeado).

Aglutinante de Arenas de Moldeo

Inorgánicos: silicato sódico, arcilla, cemento Portland. En fundición, arcilla como aglutinante: caolinita, arcilla bola, arcilla refractaria, limonita, tierra de batán, bentonita. Orgánicos: dextrina, melaza, aglutinantes cereales, aceite de lino, resinas (fenol-formaldehído, urea-formaldehído). Orgánicos usados mayormente para nucleos. Bentonita es la más usada. Pero sola no desarrolla enlaces entre granos sin humedad en arena de moldeo y nucleos.

Contenido de Humedad en Arenas de Moldeo

2-8 %. Se añade a mezcla arcilla-cuarzo para inducir enlace. Cantidad de agua para llenar poros entre partículas de arcilla sin separarlas. Agua retenida rígidamente por arcilla, responsable principal de aumentar resistencia de la arena. Acción arcilla-agua reduce permeabilidad al aumentar arcilla y humedad. Resistencia a compresión en estado verde aumenta con arcilla, pero disminuye tras cierto valor. Para mejorar propiedades, se añaden aditivos.

Aditivos y Polvo de Carbón

Materiales añadidos a mezcla arena de moldeo/nucleos para propiedades especiales. Comunes: polvo de carbón, harina de maíz, dextrina, carbón marino, alquitrán, harina de madera, harina de cuarzo.

Polvo de carbón: crea atmósfera reductora durante colado; une oxígeno en poros evitando oxidación del metal. Añadido a arenas para moldes de hierro gris y maleable.

Otros Aditivos

• Harina de maíz (almidón): aumenta colapsabilidad de arena moldeo/nucleos. Se evapora totalmente por calor, dejando espacio entre granos → granos se mueven libremente → paredes del molde se mueven, reduciendo expansión y defectos. Mejora resistencia de molde y nucleos.
• Carbón marino (sea coal): carbón bituminoso pulverizado fino en poros de granos de cuarzo. Al calentarse → coque que rellena poros, resistente al agua. Granos se vuelven finitos, no empaquetan denso → reduce movimiento paredes molde y permeabilidad → superficie molde/nucleo limpia y lisa.
• Alquitrán: carbón blando destilado. 0,02-2 % en arena moldeo/nucleos. Aumenta resistencia en caliente, acabado superficial, comportamiento similar a carbón marino.