ENSAYO DE ARENAS DE MOLDEO


OBJETIVOS.

Adquirir habilidades en la elaboración de ensayos de las propiedades físico-mecánicas (humedad, permeabilidad, cohesión, granulometría y dureza) de las arenas naturales y sintéticas.

GENERALIDADES

En la preparación de moldes en la industria de la fundición se requieren materiales que desarrollen propiedades de cohesión, plasticidad y resistencia para reproducir el modelo de la pieza; deben ser refractarios, permeables para la evacuación de gases que se producen al vaciar el molde y ser disgregables para que faciliten el desprendimiento de la arena de la superficie de la pieza, estos materiales son las arenas sintéticas.

Las arenas silíceas naturales, se clasifican de acuerdo con su contenido de arcilla: arenas arcillosas naturales grasas, cuyo contenido de arcilla es superior al 18%; arenas arcillosas naturales magras, cuyo contenido de arcilla es del 5% al 8%; arenas silíceas cuyo contenido de arcilla es inferior al 5%.

El origen común de las arenas de fundición, es el granito compuesto de feldespato, cuarzo y mica, el feldespato es un compuesto doble de aluminio y potasio, el silicato de aluminio al hidratarse, se convierte en arcilla, esto ha dado origen a los depósitos de arenas naturales.

Las arenas sintéticas son aquellas que se procesan por medios mecánicos para eliminar el material impalpable (muy fino) y clasificarlas de acuerdo al tamaño de grano, el uso de estas arenas se ha incrementado debido a las ventajas que presentan con respecto a las arenas naturales, tiene mayor uniformidad, están exentas de material impalpable, el aglutinante se adiciona en cantidades previamente comprobadas, tienen mayor permeabilidad y alta refractariedad debido a su análisis químico que es 95% de sílice (Si02) y menos del 5% de impurezas. .

Diferentes tipos de granos en las arenas de fundición:

Arenas de grano redondo.
Arenas de grano angular.
Arenas de grano subangular.
Arenas de grano compuesto.

Aglutinantes usados en la fundición para la preparación de mezclas de arenas para moldes y corazones (machos o noyos):

Aglutinantes inorgánicos

Arcilla, Bentonita, Oxido de Fe, Cemento, Silicato de sodio, Harina de sílice.

Aglutinantes orgánicos:

Cereales, Almidones, Harina de maiz, Dextrina, Harina de madera, Melaza, Alquitrán, Resinas, Aceites y Carbón vegetal.

Los aglutinantes comerciales ocultan su verdadera condición por que con frecuencia son mezclas en proporciones diversas y forman una gama de productos difícilmente controlables.

La función de los aglutinantes inorgánicos y orgánicos, es recubrir la superficie de los granos de arena para desarrollar las propiedades de cohesión y plasticidad requeridos en la preparación de moldes y corazones.

En todos los ensayos se hace una evaluación de las propiedades de las mezclas de arena en forma normal y reproducibles que permitan determinar las características de la mezcla.

El objetivo de las pruebas, en las arenas de fundición, es predecir el comportamiento de una mezcla de arena durante la operación de colado. Los ensayos deben presentar las condiciones de operación prácticas con las que se trabaja en la industria de la fundición, una relación constante de la calidad de la pieza fundida con las propiedades de la arena, es base sólida para la formulación adecuada de la arena de moldeo.

PREPARACION DE MEZCLAS DE ARENAS SINTETICAS NUEVAS PARA ENSAYO

Las muestras de arenas para su ensayo deben ser preparadas en un mezclador mecánico porque las propiedades de adherencia de todas las arenas sintéticas no se desarrollan por otro tipo de mezclado, los aglutinantes se adicionan a la arena seca y se mezclan durante un minuto para asegurar una distribución uniforme, se hace la adición de agua y se continúa mezclando durante dos minutos más en húmedo.

Para recubrir perfectamente la superficie de los granos de arena con el aglutinante y desarrollar las propiedades de plasticidad y cohesión que se requieren en la confección de moldes en verde y en seco por procedimientos de moldeo manual o mecánico, una vez preparada la mezcla retirar la arena del mezclador tan rápido como sea posible a un recipiente hermético con el objeto de que no se pierda la humedad y los resultados de las pruebas sean representativos.

DETERMINACION DEL CONTENIDO DE HUMEDAD

La humedad de una arena corresponde a la cantidad de agua que se vaporiza totalmente a la temperatura de 100 a 110°C. En una arena arcillosa existe un determinado porcentaje de humedad para obtener una óptima cohesividad. Debe trabajarse con limites de humedad determinados para evitar defectos en las piezas fundidas especialmente gases de colada; la humedad de la arena se puede determinar por los siguientes métodos:

1. Con el secador de rayos infrarrojos. El secador se compone de una
lámpara de rayos infrarrojos dotados de un reflector y de una
cubeta.
Colocar 50 gramos de arena en la cubeta, mantenerla bajo los rayos
durante 5 minutos; el grado de humedad se obtiene de la diferencia
entre el peso de la arena húmeda y el obtenido después del secado.

1. Bomba de acetileno (Botella Speedy), figura 36. Se basa en la reacción con el carburo de calcio del agua que contiene la arena. El volumen de gas acetileno que se forma, es proporcional a la cantidad de agua contenida en la muestra. La presión ejercida por este gas, es proporcional al porcentaje de humedad de la arena, que se lee directamente en el manómetro del aparato.


3. Con la estufa del laboratorio. Pesar en una cubeta 100 g de la
muestra de arena, hacer subir la temperatura de la estufa hasta 100 o
110°C.

Pesar una primera vez luego de una hora de secado y continuar pesando periódicamente hasta obtener un peso constante dejándola enfriar en un secador.

Humedad en porcentaje (P-p) 100/P

P, peso de la muestra.
p, peso de la arena después de seca.


PREPARACION DE PROBETAS NORMA PARA ARENAS DE
PUNDICION

La probeta norma se utiliza para ensayos de permeabilidad en verde o en seco, dureza, resistencia al corte y compresión en verde o en seco. La importancia de seguir el procedimiento recomendado para obtener probetas de acuerdo como lo establecen las normas es determinante para obtener resultados reproducibles en los ensayos que se hagan.

Las dimensiones y formas de las probetas para este tipo de ensayo, son cilíndricas con diámetro de 50,8 mm, y longitud de 50.8 mm, el peso de la arena usada es de unos 150 g en función del mismo contenido de aglutinantes.

El equipo para la preparación de las probetas es de base metálica con recipiente tubular para comprimir la arena, apisonador con peso de 6.356 Kg. y un machuelo para la extracción de las probetas.


DETERMINACION DE LA PERMEABILIDAD

La permeabilidad es la propiedad física de la masa de arena moldeada en verde o en seco de permitir el paso de gas a través de la misma.

El alto contenido de aglutinante y material fino, el porcentaje de humedad, el grado de compactación son factores importantes que influyen en la permeabilidad de una arena.
Para determinar la permeabilidad de una arena de fundición, se emplea la probeta de ensayo cilíndrica con diámetro de 50.8 mm. por 50.8 mm, de altura y la velocidad de flujo del aire bajo presión constante de 10 cm de columna de agua que pasa a través de la probeta..

En el permeámetro que utilizamos, se debe sellar herméticamente con mercurio el molde invertido que lleva la probeta con el permeámetro.

Se levanta lentamente la campana para llenarla con aire hasta la señal indicativa de 2000 cm3 de aire, abrir la válvula del permeámetro contabilizando el tiempo de la descarga total de la campana y medir la presión en el manómetro.

Número de permeabilidad: V h / pAt = 3007.7/t (seg).

V, volumen del aire que pasó por la probeta (2000 cm3).
t, tiempo de paso del aire en segundos.
h, Altura de la probeta en cm (5.08 cm).
A, Sección de la probeta (20.268 cm2).
p, Presión del aire en g/cm2 (10 g/cm2).


DETERMINACION DE LA RESISTENCIA DE LA ARENA

La resistencia de una mezcla de arena para fundición se puede determinar por medio de ensayos de compresión y corte en verde y en seco. La resistencia a la compresión y al corte en verde es la resistencia máxima que una probeta normalizada es capaz de soportar cuando se aplica una carga creciente en forma continua hasta que se produzca la rotura por la presión aplicada (en lb/plg2) a las dos mitades diametralmente opuestas de las dos superficies planas de la probeta.

La figura 40 muestra la máquina universal Dieter de peso muerto accionado a mano para determinar la resistencia a la compresión o al corte de probetas de arena para moldes o matachos.

RESISTENCIA A LA CIZALLADURA O CORTE

Las resistencias en verde obtenidas en las probetas ensayadas con la máquina universal de resistencia se pueden graficar para hacer una evaluación de las propiedades aglutinantes y grado de saturación de la bentonita usada en base a diversos grados de dureza en verde, el aumento de dureza en las mismas está en función del número de golpes que se den al momento de apisonar la arena.

DETERMINACION DE LA DUREZA

La dureza de la superficie de un molde o probeta, se determina por medio del probador de dureza o durómetro, figura 40, con graduaciones en el indicador de 0 a 100 milésimas de pulgada con subdivisiones de una milésima, se pone el vástago en contacto con la superficie de la probeta, se aplica la carga al indentador presionando firmemente y se lee la profundidad de penetración en el indicador.

Es importante medir la dureza superficial de los moldes especialmente cuando se presentan problemas de excesiva dureza, generando sopladuras de superficie, dartas, colas de cometa, etc., o defectos de dureza originando penetración del metal en la arena, obteniéndose superficies rugosas e incrustaciones de arena. Un molde apisonado con una dureza de 40 a 50 es blando, de 50 a 70 es mediano, de 70 a 75 es duro de 85 a 100 es muy duro.


DETERMINACION GRANULOMETRICA DE UNA ARENA DE MOLDEO

La finura de una arena de moldeo se determina por el tamaño y distribución de sus granos, el objeto del ensayo es obtener la curva de distribución granulométrica de la arena.

La finura de la arena afecta las propiedades físicas que desarrollan las mezclas de arena para fundición, permeabilidad, resistencia, plasticidad, etc.

Cuando la arena tiene alto contenido de finos, se requiere para preparar mezclas, mayor cantidad de aglutinantes para obtener las propiedades físicas requeridas en el buen acabado de las piezas fundidas.

El procedimiento para la separación del tamaño de grano a través de una serie de cedazos metálicos de mallas decrecientes y organizados en forma vertical, figura 41, consiste en pesar 100 gramos de arena seca previamente lavada, se coloca en el cedazo superior cubierto con la tapa, y se inicia la vibración que debe ser de quince minutos.

Este procedimiento es aplicable a arenas que no contienen arcilla, arenas aglutinadas en forma natural o sintéticas, de las cuales se determina la cantidad de arcilla por lixiviación.


El análisis granulométrico de la muestra se calcula sobre una base del 100% de arena, pesando la cantidad retenida en cada malla para establecer el reparto porcentual de los granos en un diagrama de la curva de frecuencia del tamaño de grano ( porcentaje de arena retenido en cada cedazo vs. número del cedazo), iniciando la operación de pesado por la malla superior hasta terminar con la bandeja del fondo y anotando los pesos obtenidos. El índice de finura indica el tamaño de grano que predomina y por lo tanto sirve para juzgar una arena de acuerdo con las exigencias de la superficie de la pieza.

Para calcular el índice de finura, se multiplica el peso de la sílice retenida en cada tamiz por el coeficiente de la columna C, se efectúa la suma de estos productos (B x C) y esta suma se divide por el peso de la muestra.

La gráfica del porcentaje retenido en cada tamiz vs el número del tamiz, representa la curva de distribución de la arena o la frecuencia de distribución del tamaño del grano basada en el análisis granulométrico. La forma de los granos de la arena se pueden observar al microscopio con 40 aumentos

Número de tamiz
%arena retenida(B)
coeficiente (C)
producto BxC
6
 
3
12
 
5
20
 
10
30
 
20
40
 
30
50
 
40
70
 
50
100
 
70
140
 
100
200
 
140
270
 
200
Fondo
 
270
Suma BxC

 

Porcentaje de arena retenida, coeficiente y producto de cada cedazo

De acuerdo con este valor de índice de finura, la arena se puede clasificar en:

Arena muy gruesa, índice de finura menor de 18
Arena gruesa 18-35
Arena media 36-60
Arena fina 60-150
Arena finísima mayor de 150


Trabajo a desarrollar:

- Determinar la humedad de la arena de moldeo.
- Elaborar 4 probetas standard.
- Determinar la dureza, permeabilidad, resistencia a la compresión y al corte en las probetas standard.
- Elaborar el análisis granulométrico, índice de finura y curva de distribución de grano de una arena silícea.

CUESTIONARIO

1. Qué propiedades especiales (cifra relativa) debe tener una arena para colar a) acero, b) cobre, c) aluminio, d)hierro gris?.

2. Qué relación existe entre el índice de finura y la distribución granulométrica en una arena de moldeo?.

3. Cuál es el objeto de utilizar moldes secos, cómo puede aumentarse la permeabilidad en estos?

2. Qué propiedades deben tener los núcleos o machos?, de qué materiales se elaboran?.

3. Cómo se hace el muestreo de una arena para que represente la composición media del conjunto?.

PRESENTACION.PPT