IV. Arenas de moldeo en verde

IntroducciónMoldes unitarios. Tipos de moldesArenas, y aglutinantesAditivos auxiliares. Mezclas y propiedades mecánicas de éstas.

BibliografíaPrinciples of sand control, AFS Green Sand Committe 4-M, K. Frink, I. Kay, M. Nagel, 2004Regresando a lo básico, Fundamentos en Arena en verde, AFS Green Sand Committe 1994.

Introducción

Materias primasFundentes Metales Chatarra-Coque

Arena

Horno de crisol o reverbero

Horno de inducción Horno de Cubilote

Metal líquido

Olla de colada

Preparación de la arena

Moldeounitario

Llenado de moldes (colada)

corazones Fabricaciónde corazones

Materias primas

Desmoldeo

Enfriamientoy limpieza

Corte yAcabado

Diagrama de flujo: Proceso de Fundición

Molde no unitario

Tipos de molde

Molde unitario (expandible)Molde de arena en verde (Green sand mould) (MU)Moldeo en cáscara (Shell mould)A la cera perdida o de precisión (Investment casting)Modelo evaporable (Lost foam o full mold)

Molde no unitario (no expandible)Colada por gravedad en molde permanente (Gravity casting or Permanent mould)Colada a presión (Die casting)Colada centrifuga (Centrifugal Casting)

Comparación del costo por pieza por diferentes procesos de fundición (molde)

Costo del proceso por rubro

Moldes unitarios. Arenas y aglutinantesAditivos auxiliares. Mezclas y propiedades mecánicas.

Colada en molde de arena: aleaciones con bajo o alto punto de fusión, piezas de geometría compleja, acabado rugoso

Utiliza modelos permanentes re-usablesLa arena puede ser reciclableLa preparación de la mezcla de moldeo es CRÍTICA (paso controlante del proceso)Hay diferentes métodos de moldeoSe utiliza también para fabricar corazones

Moldeo en arena (MU)Molde unitario (MU): reciben este nombre porque se utiliza solo una vez, después de su uso, se destruye y el material de moldeo puede ser re-usado

Características y elementos de un molde de arena en verde

Tipos de moldes unitariosMoldeo en arena en verde: arena, bentonita y agua..Molde seco: secado de la cavidad del molde de arena en verde, hasta una profundidad de 10-25 mm. Usando quemadores o lámparas de secado.Arena con aglutinantes inorgánicos: mezcla de arena con aglutinantes sintéticos curados química o térmicamente

Mezcla típica de arena en verde y en seco (para piezas de acero)EN VERDE EN SECO

Composición 100 %Arena sílica 50 % No. 52 (Arnold) y50 % (Chelford)

8 % bentonita 10 % bentonita 0.5 % dextrina

% de Humedad 3.5 % 6.0 %Permeabilidad 170 100R. a la comp. en verde 7 lb/in2 (48 KN/m2) 8 lb/in2 (55 KN/m2)R. a la comp. en seco 100 lb/in2 (0.7 MN/m2) 250 lb/in2 (1.7 MN/m2)

Arena de fundición para moldeo en verde

Arena sílica (SiO2) sola o mezclada con otros mineralesComposición química típica: SiO2 (97.91%), Al2O3 (1.13%), Fe2O3 (0.50%)K2O (0.65%) , perdidas por ignición (0.21%), Otros: TiO2, CaO, MgO, Na2O (Balance)

Otras: zirconio (ZrO2.SiO2), cromita FeO.Cr2O3), olivino (2MgO.SiO2)

Coeficiente de expansión térmica de la arena sílica

Tipos de arenas

Naturales: son las que se usan en condiciones tal y como salen de la mina, contienen arcillas, impurezas y humedad. Debido a la arcilla natural es común solo adicionar agua para lograr propiedades aceptables de la arena.

Sintéticas: estos materiales son lavados cribados y clasificados por tamaños y formas. Para hacer la mezcla de moldeo debe adicionarse aglutinantes (bentonita) y agua

Refractabilidada: estable a altas temperaturasEstabilidad dimensional y química a alta temperaturaCohesividad: abilidad para retener la formaPermeabilidad: abilidad para permitir que los gases escapenColapsabilidad: abilidad para permitir que el metal se

contraiga en la cavidad sin que se fracture la piezaResistencia: para mantener la forma y resistir la erosiónEstabilidad térmica: resistir la fractura al entrar en contacto

con el metal líquidoRe-usabilidad: reciclado de la arena después del desmoldeo de

la piezaDiversidad de formas y tamañosDisponibilidad y consistenciaCompatibilidad con medios aglutinantes

Características deseables de la arena de moldeo

Forma del grano: angular, sub-angular, sub-redonda y redonda

Forma: arena sílica (SiO2)

Se determina por medio del número AFS, indica la fineza o tamaño del grano de arena. La granulometría y distribución se determina mediante análisis de mallas

Tamaño del grano:

Granulometría AFS

80 % retenido entre las mallas

40-45 50, 70, 100

55-60 70, 100, 120

80-90 100, 140, 200

100-110 140, 200, 270

Determinación de la granulometría AFS

80 % retenida en 3 mallas

Superficie específica: Es el área superficial total de los granos contenida por unidad de masa (cm2/g). Lo cual esta dado por el tamaño y la forma del grano. Su magnitud es un indicativo de la cantidad de bentonita necesaria para recubrir los granos de arena

Coeficiente de expansión térmica de la arenas para fundición

Efectos de la forma y tamaño del grano:Grano fino mejorar el acabado superficial de las piezasGrano grueso mayor permeabilidad, facilidad para que escapen el aire y los gases durante la coladaFormas irregulares del grano aumentan la resistencia por la intercomunicación a diferencia de los granos redondos Desventaja: la intercomunicación reduce la permeabilidad

Efecto de la fineza y el % de bentonita

Aglutinantes usados en las arenas para moldeo en verde

La arena (SiO2) se aglutina debido a la adición de bentonita y agua. Mezcla típica: 90 % arena, 3 % agua, 7 % bentonita

Aglutinante(s) para arenas en verdeBentonita sódica y cálcica : componentes caolinita (Al2O3.2SiO2.2H2O), montorilonita (Al2O3.4SiO2.2H2O) e illita (micas)

Agua: se combina con los aglutinantes hidratándolos y facilitando el intercambio iónico: Na+, Ca+2, Al+3, Mg+2

La presencia de agua sobre el aglutinante tiene efectos sobre el intercambio iónico que afectan la plasticidad de la mezcla arena-bentonita-agua, provocando la unión entre granos (aglutinamiento)

Bentonita sódica: retiene propiedades y mantiene vida de banco

Bentonita cálcica: proporciona elevado aglutinamiento pero con poca retención de propiedades (vida de banco corta)

Punto temper: punto en el cual se obtiene la mayor resistencia (compresión-psi) y la mínima densidad en una mezcla de arena de moldeo. Indica las propiedades máximas de la mezcla de moldeo en verde

Diseño experimental: variando % H y %

Bentonita

densidad

resistencia

Mezcla arena-bentonita-agua y propiedades

Ejemplos de cantidades de bentonita-agua en la arena en verde

Ejemplo: 1) 6 % bentonita trabaja bien con 3 % de humedad y

2) 12 % bentonita produce mejores propiedades con 5 % de humedad

Control de la humedad y la bentonita es fundamental en la planta.

Objetivo: Propiedades mecánicas: la resistencia, permeabilidad, Propiedades físicas: acabado superficial, evitar adherencia al molde, etc.

Aditivos auxiliares: Melasa, harina de madera, mogul (cereal de maíz), dextrina, carbón marino, FeO, algunas veces brea, harina de sílice, etc.

Aditivos para mezclas de moldeo

propósito aditivo

Mejora el tiempo de banco y la resistencia al secado MelazaHarina de cerealEtilenglycolazufre

Desarrollo de resistencia Harina de síliceÓxido de hierro

Acabado superficial y resistencia a la penetración de metal Carbón marinoHarina de sílice

Inhibir la reacción metal-molde AzufreÁcido BóricoBifloruro de amonio

Propiedades mecánicas de mezclas de arena

% HumedadTamaño AFSResistencia a la compresión en verdePermeabilidadDureza del molde% de compactabilidadMoldeabilidad (en %)Arcilla activaArcilla latenteFinos presentes en el sistema (arcilla AFS)Densidad

http://www.kelsonfoundryequipments.com

Moisture AnalyzerSpeedy Moisture Tester

Sand RammerUniversal Sand

Strength Machine (Low

range)

Green Hardness Tester "B" Scale A Methylene Blue

Clay Tester

http://www.dietertlab.com/products.html

B Electric PermmeterAnalysis sieve

% Humedad: esencial entre cierto rango ya que en combinación con el % de bentonita y la arena define las propiedades de la mezclaTamaño de grano y forma: definen la permeabilidad, resistencia, demanda de bentonita de la mezclaResistencia a la compresión en verde: determina las cargas de metal, molde o adobera que puede soportar la mezclaPermeabilidad: tiene relación con los huecos que quedan entre los granos, los cuales permiten el escapa de aire de la cavidad del molde y de los gases generados al entrar en contacto el metal con el molde húmedoDureza del molde: determina la dificultad de erosionar el molde cuando se une cope (tapa) y drag (base) del molde, así como evitar arrastres durante el llenado

Conceptos básicos de propiedades de la arena en verde

Compactabilidad: permite la reproducibilidad del modelo en la mezcla de moldeo, zonas delgadas, complejas o intrincadas

Arcilla Activa: arcilla que desempeña la función de unir los granos eficientemente cuando se activa con agua

Arcilla latente: arcilla degradada que pierde sus propiedades de aglutinate

% de finos: arena degradada fina que afecta la permebilidad y propiedades

Variables que afectan las propiedades de la mezcla de arena en verde

Mezcla en verdeArena: distribución granulométrica, tamaño, forma, tipo, finos, etc.Agua ó % de humedad: tipo de humedad (combinada y libre)Bentonita: tipo de bentonita, contenido, bentonita activa, bentonita circulante o latente, etc.Nivel de aditivos

ProcesoTiempo de moldeo, temperatura de la mezcla, equipo de moldeo, compactación-tipo de moldeo, limpieza de la mezcla, grado de descomposición de los granos, tiempo de reciclamiento, etc.

Metal: Tipo de metal, temperatura de colada, tiempo de desmoldeo, etc.

Efecto del tiempo de mezclado sobre la resistencia a la tensión en verde (en húmedo y en seco)

Características para mezclas de aleaciones ferrosas: tienen mayores densidades y en general las temperaturas de colada son altas (aceros y hierros colados)

•Mayor refractabilidad•Mayor resistencia•Mayor permeabilidad•Mayor dureza•Resistencia al impacto

Propiedades típicas

?

Características para mezclas de aleaciones no ferrosas: tienen menores densidades y las temperaturas de colada son más bajas (Al, Mg)

Refractabilidad moderadaMenor resistenciaMenor permeabilidadPeso de la probeta menor (en el formador de probetas)

Propiedades típicas

?

Corazones (machos ó noyos)

Son insertos en la cavidad del molde previos a la coladaEl metal líquido fluye entre la pared del molde y del corazón, dando origen a piezas huecas.Puede requerir soportes para evitar su movimiento durante el llenado de la pieza, llamados chapletsTienen mayores propiedades que la mezcla de arena en verde

Mitad inferior del molde (Drag) con corazones

Otros agentes aglutinantes:Resinas orgánicas: resinas fenólica y furánicasAglutinantes inorgánicos: silicato de sodio y fosfato

Procesos para elaborar corazones:Silicato-CO2

Resina: furánicas, fenólicas, etc.Caja fríaCaja caliente

Máquina para corazones shellAcabado de corazones

Proceso Silicato-CO2

Silicato de sodio (vidrio líquido) sus características las definen la relación de peso y el contenido de sólidos.El silicato comercial más común tiene una relación de peso de 3.22 partes de silicato y 1 parte de óxido de sodio, el cual se conoce con el nombre de “3.22 Silicato”

Esta relación de peso generalmente contiene entre 36 y 38 % de sólidos y el balance es agua. Tiene un pH de 13 y se comporta como un detergente muy fuerte. Esta mezcla es completamente soluble en agua

Uso: para arenas limpias, secas y nuevas de fineza entre 60 y 90, se puede iniciar con un 4 % en peso de silicato en base al peso de

arena, aplicando mezcladoras

La aplicación del CO2 para su endurecimiento debe permitir su paso a través de toda la masa de arenaSe debe usar regulador para el control de la presión de CO2. En general no se necesita más de 10-15 psi

Reacción silicato/CO2

Se debn eusar venteos (clavos o alambre) para una eficiente dispersión del gas en la masa de arena. Una regla general es “aplicar CO2 con una presión de 10 psi durante 5-10 seg. por libra (0.454 Kg) de arena, con lo que se alcanza suficiente resistencia del corazón y se puede extraer de la caja de corazones

Mezcla general para corazones y propiedades típicas

Composición: 100 % arena sílica Chelford, tamaño medio) 1.5 % almidón 1.5 % aceite 2.5 % humedad

Permeabilidad 200Resist. a la compresión en verde 2 lb/in2 (14 KN/m2)Resist. A la compresión en seco 1000 lb/in2 (6.9 MN/m2)Resit. A la tensión en seco 250 lb/in2 (1.7 MN/m2)

Métodos de moldeo

• Moldeo manual: baja producción

• Máquina moldeadora por sacudida y vibración: media a alta producción

• Moldeo vertical sin caja (máquinas moldeadoras): alta producción

• Moldeo en fosa (Pit molding): piezas muy grandes ejemplo: válvula para agua de 36 plg

Etapas para la obtención del moldeEtapas de molde manual para moldes de arena en verde

Ventajas-Desventajas del moldeo manual

VentajasBajo costo de equipoTamaño de moldeCualquier tipo de molde: suelto, placa, media placa, etc.

DesventajasReproducibilidadExperiencia del moldeadorEfecto de la mezcla de moldeoVelocidad de moldeo

Moldeo a máquina

Moldeo a máquina

Ventajas-Desventajas del moldeo con máquina

DesventajasCosto de equipo y mantenimientoPersonal capacitadoTamaño de piezaSolo modelos en placa

VentajasVelocidad de moldeoReproducibilidadAlta compactación

Moldeo vertical a máquina (etapas)

www.disagroup.com

Ventajas-Desventajas del moldeo vertical

VentajasVelocidad de moldeoReproducibilidadAlta compactaciónVelocidad de moldeo alta

DesventajasCosto de equipo y mantenimientoPersonal capacitadoTamaño de piezaSolo modelos en placa

Línea de moldeo y colocación de corazones

Moldeo en Arena: Ventajas y Desventajas

• Ventajas Molde barato/unidad Geometría compleja Cualquier aleación Tamaño ilimitado (?) Económico en baja

cantidades Costo del herramental bajo Re-uso de la arena con poco

ajuste Obtención de la forma final

de la pieza (near net shape)

• Desventajas– Costo por pieza alto

• Labor intensiva

• Baja velocidad de producción

– Acabado superficial rugoso

– Bajas tolerancias dimensionales

– Piezas de espesores relativos de pared gruesos (0.120”)

Reglas básicas para moldeo en arena

Proceso Ventajas Limitaciones

Arena en verde Cualquier metal se puede utilizar, no hay limite de tamaño ni peso. Bajo costo de equipo y herramental

Requiere de acabado final. Amplias tolerencias dimensionales

Cáscara Buena exactitud dimensional y acabado superficial. Alta velocidad de producción

Tamaño de pieza limitada. Modelos y equipo caros

Evaporable Pueden colarse la mayoría de los metales. No hay límite de tamaño ni de complejidad de la pieza

Los modelos tienen poca resistencia y son muy costosos en bajas cantidades

Yeso Piezas intrincadas, buena exactitud dimensional y acabado. Baja porosidad

Limitado a no ferrosos. Tamaño y volumen del producto es limitado. Tiempo de fabricación del molde largo

Cerámico Piezas intrincadas , buen acabado superficial. Buena exactitud dimensional

Tamaño limitado

Cera perdida Formas intrincadas, excelente acabado superficial, buena tolerencia dimensional

Tamaño limitado. Modelos, equipo y acabado costoso

M. Permanente

C. a presión

Buen acabado superficial y exactitud dimensional. Alta velocidad de producción

Alto costo del molde. Limitado en tamaño y complejidad. No es muy conveniente para metales de alto punto de fusiónCosto elevado del molde. Tamaño limitado. Se aplica ano ferrosos

C. Centrifuga Partes cilíndricas huecas, buen acabado superficial. Alta velocidad de producción

Equipo car y forma de piezas muy limitada