SOLIDIFICACIÓN

INTRODUCCIÓN

Los moldes obtenidos en la fundición y destinados a recibir la colada deben poseer las

siguientes cualidades:

Ser plásticos.

Tener cohesión y resistencia, al objeto de poder reproducir y conservar la

reproducción del modelo.

Resistir la acción de las temperaturas elevadas, es decir, ser refractarios.

Permitir la evacuación rápida del aire contenido en el molde y de los gases que

se producen en el acto de la colada por la por la acción del calor sobre el mismo

molde, es decir, deben tener permeabilidad.

Disgregarse fácilmente para permitir la extracción y el pulimentado de la pieza.

Los materiales dotados de estas cualidades, que se encuentran en la naturaleza, son las

arenas de fundición, constituidas por granos de cuarzo (bióxido de silicio, SiO2, muy

refractario) y por arcilla (silicato hidratado de aluminio, cuya fórmula aproximada es

2Si02Al2O3.2H2O), que es el elemento de unión y confiere plasticidad y disgregabilidad

al molde; la estructura granular propia de la arena asegura la permeabilidad.

Las arenas de fundición tienen un origen común. La roca madre de la cual derivan es el

granito, compuesto de feldespato, cuarzo y mica.

No siempre puede utilizarse la arena en la fundición tal como llega de los depósitos,

sino que debe someterse a algunos procesos de modificación después de una serie de

pruebas adecuadas para el estudio de sus características técnicas.

OBJETIVOS :

Facultad de Ingeniería de Geológica, Minera y Metalúrgica 1

SOLIDIFICACIÓN

Conocer y manejar el equipo con el cual se evalúa las características más

importantes de una arena de moldeo.

Establecer relaciones entre los ensayos y las características o propiedades

evaluadas, así como su importancia.

Determinar el índice de finura de la muestra en cuestión.

Facultad de Ingeniería de Geológica, Minera y Metalúrgica 2

SOLIDIFICACIÓN

ÍNDICE DE

FINURA A.F.S. DE

LAS ARENA

Facultad de Ingeniería de Geológica, Minera y Metalúrgica 3

SOLIDIFICACIÓN

FUNDAMENTO TEÓRICO:

Arenas de Fundición

De una manera general, se define a la arena como un mineral refractario cuyo tamaño de

granos varía entre 0.05 y 2 mm. Pueden estar acompañadas de minerales arcillosos en

proporciones variables y de impurezas consideradas como perjudiciales para su empleo

en fundición. Para tal efecto en la fundición, se trabajan con arenas naturales y arenas

sintéticas o aglomeradas que se obtienen partiendo de arenas silíceas lo mas puras

posible, a las cuales se le añaden, en diversos porcentajes, substancias aglutinantes.

Una primera clasificación de las arenas naturales puede basarse en su contenido de

arcilla; se distinguen 4 clases:

Tierras grasas (contenido de arcilla superior al 18%).

Tierras semigrasas (contenido de arcilla entre 8 y 18%).

Tierras magras (contenido de arcilla entre 2 y 8%).

Arenas silíceas (contenido de arcilla inferior al 2%).

Una segunda clasificación puede hacerse atendiendo a la forma del grano:

Arena de grano esferoidal.

Arena de grano anguloso.

Arena de grano semi-anguloso.

Arena de grano compuesto.

Facultad de Ingeniería de Geológica, Minera y Metalúrgica 4

SOLIDIFICACIÓN

Finalmente, en relación con sus dimensiones del grano, pueden distinguirse:

Arena de grano muy grueso: Índice A.F.S. inferior a 18 (1 - 2 mm.)

Arena de grano grueso: Índice A.F.S. entre 18 y 35 (0.5 - 1 mm.)

Arena de grano medio: Índice A.F.S. entre 35 y 60 (0.25 – 0.5 mm.)

Arena de grano fino: Índice A.F.S. entre 60 y 150 (0.1 - 0.25 mm.)

Arena de grano finísimo: índice A.F.S. mayor a 150 (inferior a 0.1 mm.)

Con respecto a las arenas sintéticas, cabe resaltar que, su uso se ha incrementado

notablemente en la última década y su empleo creciente se justifica con las innegables

ventajas que presenta respecto a las arenas naturales. En primer lugar, posee unas

características más uniformes y, por otra parte, la arena base está exenta de polvo

impalpable, ya que el aglutinante se añade en cantidades previamente comprobadas a fin

de reducir al máximo el límite de humedad y obtener no sólo una refractariedad más

elevada, sino también una mayor permeabilidad.

En cambio, el intervalo de humedad que permite la elaboración es mucho más

restringido en las arenas sintéticas que en las naturales, ya que estas se secan más

rápidamente y ofrecen más dificultades para el acabado y la separación de los moldes.

1.- Propiedades de las Arenas Silíceas:

Propiedades Mineralógicas:

* Son las que determinan sus propiedades refractarias y la posibilidad de

disgregación de sus granos (vitalidad o durabilidad), esto último vendría a ser las

grietas o resquebrajamientos del mismo.

Propiedades Granulométricas:

* Referente al tamaño y distribución de las arenas.

Propiedades Morfológicas:

* Referente a la forma de los granos. No se puede actuar sobre las propiedades

mineralógicas ni morfológicas de una arena, pero si sobre sus propiedades

granulométricas.

Facultad de Ingeniería de Geológica, Minera y Metalúrgica 5

SOLIDIFICACIÓN

2.- Distribución Granulométrica – Índice de Finura:

Para determinar el tamaño de los granos de una arena, se efectúa un análisis

granulométrico. Para este objeto se procede, previamente, a la separación de los

materiales arcillosos por medio de la levigación, después de lo cual el residuo lavado

compuesto solamente por granos de sílice se deja secar, se pesa (100 g, por ejemplo) y

se hace pasar a través de una serie de cedazos metálicos de mallas decrecientes. Se

pesan las cantidades de arena contenidas en cada cedazo, y se establece el reparto

porcentual de los granos, que puede representarse en un histograma.

Las series unificadas de cedazos mas usadas son las americanas de la A.F.S. (American

Foundrymen`s Society), constituidas por once cedazos determinado tamaño de malla, y

las Fischer, compuestas de siete cedazos correspondientes a las normas alemanas D.I.N.

Con los datos obtenidos por el análisis granulométrico, es posible calcular un número

convencional que manifieste el tamaño de las clases de granos que predominan en la

arena examinada. Este número recibe el nombre de índice de grosor ó de finura y se

obtiene dividiendo la suma de los productos de los porcentajes contenidos en cada

cedazo por un factor fijo por el porcentaje total de granos. Indicando con p 1, p2, p3,….

los porcentajes contenidos en cada cedazo; con α1, α2, α3,…. Los factores

correspondientes de la tabla y con “P” el porcentaje total, el índice de finura “i” será:

Facultad de Ingeniería de Geológica, Minera y Metalúrgica 6

SOLIDIFICACIÓN

3.- Características Técnicas:

a) La Refractariedad:

La refractariedad de una arena se determina por la temperatura a que puede someterse

sin presentar signos de fusión. Viene asegurada por la sílice, cuyas características

resultan siempre modificadas por la presencia de otros elementos (disminuye en

proporción inversa a su contenido en otros materiales). También la forma y el tamaño

de los granos tienen una notable influencia sobre la refractariedad: los granos angulosos

sinterizan más fácilmente que los esféricos, y los más finos más que los gruesos.

b) La Cohesión:

La cohesión de una arenas consecuencia directa de la acción del aglutinante y depende

de la naturaleza y contenido de este último y del porcentaje de humedad. Se puede

establecer por medio de cuatro pruebas que determinan las cargas de rotura: por

compresión, por tracción, por flexión y por cortadura; siendo la más importante la

primera, porque indica si la arena, al moldearse, será capaz de soportar las fuerzas a que

será sometido el molde durante las diversas operaciones.

c) La Permeabilidad:

La permeabilidad es la propiedad que permite a la arena ser atravesada por los gases y

que permite la evacuación de éstos del molde en el momento de la colada. Queda

establecida en función del volumen de los huecos existentes en una aglomeración de

arena. En consecuencia, depende del tamaño y de la distribución de los granos, y es

siempre mayor en una arena de granos gruesos que en la de granos finos. Una arena de

granos más uniforme es más permeable que otra que en igualdad de índice de grosor,

tenga los granos de tamaños menos uniformes.

d) Densidad Relativa:

Es la relación en porcentaje que existe entre la densidad aparente de una arena con un

grado de compresión determinado y la que tendría si estuviese comprimida al máximo.

e) Superficie Específica Real:

Es la superficie de los gramos de una arena expresada en cm2 por gramo.

Facultad de Ingeniería de Geológica, Minera y Metalúrgica 7

SOLIDIFICACIÓN

4.- Obtención de superficies lisas en las piezas:

Depende fundamentalmente del tamaño del grano y de su regularidad en los tamaños.

La eliminación de los granos gruesos mejora la calidad superficial. Cuanto más fina es

una arena, mejor es el acabado superficial de la pieza para igualdad de condiciones en la

temperatura de colada y en la velocidad de llenado del molde.

5.- Defectos debido a expansión de la sílice:

Al aumentar la temperatura, la expansión lineal de la sílice es inevitable. Si esta

expansión no puede ser contrarrestada, origina los defectos típicos de la dilatación:

colas de rata, dartas, etc. Con granos del mismo tamaño, la expansión tendría lugar al

mismo tiempo. Por el contrario, con arenas de 3 ó 4 tamices, la dilatación no se efectúa

al mismo tiempo en los diferentes granos, ya que cuando se dilatan los granos gruesos,

los más pequeños han sufrido ya la expansión y presentan una ligera contracción que

ayuda a controlar la expansión de conjunto de los granos. Es por eso que utilizando

distribuciones de grano adecuadas, se puede llegar a controlar los defectos expansivos.

Facultad de Ingeniería de Geológica, Minera y Metalúrgica 8

SOLIDIFICACIÓN

PROCEDIMIENTO:

Para determinar el Índice de Finura:

Se recibió una muestra de arena, a la cual se le cuarteo y se pesaron 50 gr. de la

misma, para luego colocarlos sobre la parte superior de un juego de tamices,

según la serie americana A.F.S. usados en los equipos de control DIETERT (20,

30, 40, 50, 70, 100, 140, 200, 270 y charola).

Se coloca los tamices en el dispositivo agitador durante 15 minutos. Luego se

pesa el material retenido sobre las mallas.

El índice de finura se determina así:

Facultad de Ingeniería de Geológica, Minera y Metalúrgica 9

SOLIDIFICACIÓN

CALCULOS Y RESULTADOS

Después de realizar satisfactoriamente la experiencia, y rellenando la tabla con

los resultados obtenidos, se tiene finalmente:

NÚMERO FACTOR

RETENIDO

PRODUCTOGRAMOS %

20 10 0.050 0.10 1.00

30 20 0.313 0.63 12.60

40 30 2.160 4.35 130.50

50 40 13.280 26.56 1070.00

70 50 18.079 36.42 1821.00

100 70 11.120 22.40 1568.00

140 100 3.469 7.00 700.00

200 140 0.996 2.00 280.00

270 200 0.144 0.30 60.00

-270 300 0.028 0.05 15.00

%masa perdida: 0.732% < 2%, entonces es una buena aproximación.

Porcentaje retenido en 3 mallas adyacentes (50, 70, 100): 84.958% > 75%, por

lo tanto las distribuciones por tamaños de granos no es adecuada.

a) El Histograma de Distribución:

Facultad de Ingeniería de Geológica, Minera y Metalúrgica 10

SOLIDIFICACIÓN

b) El tamaño de grano medio (d50): Es el tamaño de partícula para un 50% de la

muestra, es el más representativo de la muestra, pero no indica nada sobre la

distribución.

De la misma tabla, se obtiene el tamaño de partícula para 25 gr. de la muestra:

NÚMERO FACTOR

RETENIDO

PRODUCTOGRAMOS %

20 10 0.050 0.10 1.00

30 20 0.313 0.63 12.60

40 30 2.160 4.35 130.50

50 40 13.280 26.75 1070.00

70 50 8.803 17.61 880.50

c) El Grado de Uniformidad (G.U.): Es el más representativo, y nos indica si la

distribución es adecuada o no.

Facultad de Ingeniería de Geológica, Minera y Metalúrgica 11

SOLIDIFICACIÓN

d) El Coeficiente de Distribución (Cd): Indica la distribución de la arena, estos

parámetros indican el grado de inclinación de la curva anterior.

J1: Tamaño de partícula para un 25% acumulado.

J2: Tamaño de partícula para un 75% acumulado.

Con los resultados obtenidos, se tiene que:

La muestra pertenece a arenas aglutinadas naturalmente.

e) Forma de los Granos: Es otra de las propiedades de gran influencia. La forma del

grano influirá en la superficie específica de los granos contenidos en un gramo de arena.

Usando un microscopio (x100) se determino que la forma de los granos era

angulosa; como otras observaciones, se encontraron óxidos (hematina) escasos

fragmentos de hornblenda.

CONCLUSIONES:

Facultad de Ingeniería de Geológica, Minera y Metalúrgica 12

SOLIDIFICACIÓN

La distribución que se observa en la gráfica se debe a la trituración natural de la

muestra de arena.

Este índice de finura indica numéricamente el predominio de la dimensión del

grano más numeroso en una arena.

La muestra estudiada no tiene una distribución de grano uniforme, lo que influye

en gran medida, en la permeabilidad de dicha arena.

El hecho de que la forma de los granos de la muestra sea angulosos, implica (en

relación a los granos redondeados) que:

* Sinterizan más fácilmente.

* Presentan una cohesión menor.

* Es más permeable.

RECOMENDACIONES:

Facultad de Ingeniería de Geológica, Minera y Metalúrgica 13

SOLIDIFICACIÓN

Antes de realizar cualquier experimento, se debe priorizar que los instrumentos a

emplear sean lo más exactos posibles para evitar el margen de error.

Verificar que los instrumentos recibidos sean los necesarios para el experimento.

Asegurarse que la balanza este bien ajustada antes de pesar las muestras.

Asegurar el dispositivo agitador firmemente, para evitar posibles averías.

Tener cuidado a la hora de recolectar la muestra contenida en cada tamiz, para

obtener cálculos mas exactos.

BIBLIOGRAFÍA

Facultad de Ingeniería de Geológica, Minera y Metalúrgica 14

SOLIDIFICACIÓN

- CAPELLO, Edoardo; Tecnología de la Fundición; Editorial Gustavo Gili, S.A.; Rosellón, 87 y 89 - Barcelona; pag. 36 - 63.

- Separatas entregadas en clase.

-Referencias en la Web:

http://www.unalmed.edu.co/~fundicio/guias_practicas/practica_7.pdf

http://www.quiminet.com/ar5/ar_w%2586X%2593%251B%25B5b%252C.htm

Facultad de Ingeniería de Geológica, Minera y Metalúrgica 15