Obtención de ceras para elproceso defundición

a la cera perdidaJosé William Moreno Portillo

Ingeniero MecánicoMédico CirujanoProfesor Asociado

Facultad de IngenieríaUniversidad Nacional de Colombia

RESUMEN

En este trabajo se presenta la composición detres ceras, relativamente económicas y de grandisponibilidad, que exhiben condiciones ade-cuadas para utilizarse en el proceso deMICROFUNDICION. Para definirlas se estudióla influencia de los modelos de cera en cada unade las etapas del proceso y se planteó una seriede experimentos que evaluaron las característi-cas ypropiedades más importantes, como puntode fusión, punto de ablandamiento, curva deenfriamiento, curva de flujo, expansiónvolumétrica, contracción lineal, resistencia, con-tenido de cenizas y penetración, entre otras.

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OBTENCION DECERAS PARA EL PROCESODE FUNDICION A LA CERA PERDIDA

INTRODUCION

Dentro de la línea de investigación deBiomecánica, que se lleva a cabo en el área deDiseño del Departamento de Ingeniería Mecáni-ca de la Facultad de Ingeniería de la UniversidadNacional, se detectó la necesidad de obtenerpiezas en aleaciones ferrosas y no ferrosas conformas intrincadas cuya manera óptima deobtención es la microfundición. Dentro de esteproceso, la obtención de modelos desechableses uno de los pasos principales; una de las

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materias primas utilizadas en ellos, y que deter-mina en gran parte la calidad y precisión de lamicrofundición, es la cera.

Investigado el mercado y las personas yentida-des que prestan el servicio de fundición a la ceraperdida, se pudo comprobar que en muchoscasos las mezclas utilizadas para la obtenciónde ceras eran hechas de una manera empíricao, en su defecto, se utilizaban ceras importadas.Por lo anterior se decidió hacer un estudio de lascaracterísticas de los componentes de las ceraspara fundición y proponer como resultado deeste estudio una serie de mezclas de ceras (consus propiedades) elaboradas con materia primade fácil consecución en el mercado nacional.

En este artículo se presenta, como fruto de lainvestigación, la composición de tres ceras rela-tivamente económicas y de gran disponibilidadque muestran condiciones adecuadas para serutilizadas en la microfundición.

Para definir estas ceras se estudió la influenciade los modelos de cera en cada una de lasetapas de la microfundición y se planteó unaserie de experimentos que evaluaron las carac-terísticas y propiedades más importantes: puntode fusión, punto de ablandamiento, curva deenfriamiento, curva de flujo, expansiónvolumétrica, contracción lineal, resistencia, con-tenido de cenizas y penetración, entre otras.

Metodología seguida en la obtención de lasceras

La materia prima para la elaboración de losmodelos desechables en microfundición, debetener el mejor balance de propiedades y carac-terísticas junto con un bajo costo y gran disponi-bilidad.

Una encuesta mostró que en el país es posibleencontrar, relativamentefácil, algunas ceras quela literatura técnica señala como importantes y

que podrían intervenir en el trabajo de investiga-ción como materias primas básicas: cera deabejas, parafina macro y microcristalina,carnauba y estearina, así como también unaresina, la colofonia.

La Cera de abejas es la de mayor disponibilidad.Suprecio oscila alrededor de los tres mil quinien-tos pesos el kilogramo, pero desafortunada-mente no se consigue ninguna información téc-nica. La parafina se obtiene por intermedio deEcopetrol, quien la produce y comercializa. Suprecio es alrededor de quinientos pesos el kilo-gramo.

Ecopetrol acompaña el producto con una tablaque contiene algunas de sus característicasfísicas y químicas.

La camauba, la estearina y la colofonia lasofrecen sólo algunos distribuidores importantesde materiales químicos. Entre ellas la carnaubaes la de mayor precio, alrededor de seis milpesos el kilogramo. Para estos materiales losexpendedores no dan información técnica alrespecto.

Con base en la revisión bibliográfica se decidióescoger las tres primeras ceras (abejas, parafi-na macro y microcristalina), como elementosesenciales de las mezclas, constituyéndose losotros tres elementos (carnauba, estearina ycolofonia) en posibles modificadores.

Determinación de las propiedades básicasde las ceras

El siguiente paso fue definir las propiedadesbásicas a evaluar con el fin de deducir lasmezclas más probables para una presentaciónfinal.

Las propiedades aestudiar deberían ser las mássignificativas dentro del proceso; es decir, aque-llas que influyen de alguna forma en las caracte-

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rísticas óptimas deseables para un buen éxito enla microfundición tales como inyección,descerado, quemado, etc. De acuerdo con loanterior se seleccionaron las siguientes carac-terísticas para el estudio:

Punto de fusión. Se utilizó el método DropMelting Point, ASTM D127-62. Su determina-ción correcta influye en la etapa de inyección ydescerado.

Punto de ablandamiento. Para determinarlose empleó el método Softening Point Ring-and-Sal! Apparatus, ASTM E-28-67 (82). En generalen materiales o mezclas que contienen resinascomo la colofonia, el ablandamiento no ocurre auna temperatura definida. A medida que la tem-peratura aumenta estos materiales gradual eimperceptiblemente cambian de un estado frágilo excesivamente áspero y de flujo lento a mate-riales blandos y líquidos menos viscosos. Portalrazón la determinación del punto deablandamiento es un parámetro importante.

Curva de enfriamiento. El método utilizado fueel de Cooling Curve D 87-77. Los resultados deeste ensayo se utilizan para comparar las velo-cidades de solidificación no forzada entre dife-rentes mezclas. Además dan una idea clara deltiempo máximo requerido para remover losmodelos.

Acabado Superficial yDesmoldeabilidad. Sonparámetros de difícil evaluación; tienen un ca-rácter subjetivo reflejado por una evaluaciónvisual o táctil de la superficie del modelo.

Desde el punto de vista del acabado superficialdeben analizarse en la cera su capacidad paracopiar con gran facilidad detalles tales comoaristas, filos, contornos suaves y bruscos, etc...,además de la lisura y brillantez de las superficiesdel modelo y de su adherencia a las manos deloperario cuando se extrae del molde. El acaba-

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•

do superficial del modelo depende del acabadosuperficial de la matriz y de las condicionestécnicas al momento de inyectar la cera e influyenotoriamente en la pieza final ya que da al molderefractario el acabado que éste a su vez va a dara la pieza final.

Resistencia a la Tracción. Se utilizó el métodoTensiles strength of Paraffin wax ASTM D 1320-73 (83). Es de vital importancia evaluar estacaracterística y más si se tiene en cuenta que elmodelo puede exigir un diseño que involucresecciones críticas como espesores muy delga-dos o que por requerimientos de producción seanecesario ensamblar racimos con una cantidadconsiderable de modelos que luego deben so-meterse a esfuerzos generados en los diferen-tes pasos que involucra la etapa del investido.

Expansión y Contracción Volumétrica. Selleva a cabo según la norma ASTM D 1168-84.Su importancia se manifiesta principalmente enel descerado, pues la expansión del materialrefractario es siempre menor que la de la cera,de aquí que la concepción moderna deldescerado es fundir y evacuar rápidamente lasuperficie de cera en contacto con el refractariopara permitir a las masas internas expandirsecon facilidad.

En modelos grandes es importante determinarlas variaciones dimensionales generadas porcambios en la temperatura ambiente.

Fluidez. Se utilizó el método de carga constantepropuesto por N.O. Taylor en el trabajo tituladoA. Specification For Inlay Casting Wax, JournalAmerican Dental Association. Febrero 1931.

Este ensayo marca la transición sólido-líquidode una cera limitando así el intervalo de tempe-raturas a las cuales se presenta el estado pasto-so, hecho que a su vez es de gran utilidad para

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Figura 1. Dilatómetro para semi-sólidos y su montaje para determinar la expansión de la cera.

definir las temperaturas de inyección en esteestado, y la máxima temperatura a la cual sepuede manipular el modelo sin deformarlo nidistorsionarlo.

Penetración. Se usó el método Needle.Penetration OtPetroleum Waxes, ASTM O 1321-81; mide la dureza del modelo y ésta va paralelaal acabado superficial, pues define con quéfacilidad puede rayarse el modelo.

Contenido de Cenizas. Los ensayos se realiza-ron mediante el muestreo Ash From PetroleumProducts, ASTM O 482-80. Esta característicainfluye directa e incontrolablemente en la piezafinal ya que su presencia en el molde facilita laformación de defectos y discontinuidades en lamisma.

Diseño de las Mezclas y Obtención de losProductos. Se realizó un primer muestreo conmezclas binarias alrededor de las ceras básicas(cera deabejas, macrocristalina ymicrocristalina)y los modificadores (carnauba, estearina ycolofonia) en porcentajes de 25%, 50% Y75% enpeso.

Esto tiene como fin obtener un espectro confiableen la tendencia de los resultados en cada una delas propiedades antes citadas. Hechos los ensa-yos en estas mezclas binarias y de acuerdo conlos resultados obtenidos, se propuso continuareste trabajo investigativo centrando la atenciónen tres mezclas que se destacaron en la etapapreliminar de ensayos y principalmente en el decontracción lineal. Las mezclas escogidas fue-ron:

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Figura 2. Matriz de probetas de contracción.

- Macrocristalina 75% - Colofonia 25% (MaR).

- Macrocristalina 50% - Colofonia 25% (MaR2).

- Microcristalina 75% - Abejas 25% (MiA).

Estas mezclas ofrecían:

-Baja contracción lineal, principalmente laMaR2yla MiA.

- Aceptable capacidad para el copiado de deta-lles.

- Fluencia uniforme en el ensayo de flujo y,

. - Baja expansión térmica.

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El acabado no era una de las característicassobresalientes pues, las tres al momento deretirarlas de la matriz eran ligeramente pegajo-sas y al exponerlas al aire atrapaban muchopolvo e impurezas.

El siguiente paso fue decidir qué modificadoradicionar y en qué porcentajes, con miras amejorar el acabado superficial, sin desmejorarapreciablemente otras características, principal-mente la contracción lineal.

Considerando la influencia positiva de laestearinay la camauba en el acabado superficial, el au-mento en la resistencia que produce la estearinaen bajos porcentajes, como también el efectonegativo de ambas (en porcentajes medios yaltos) sobre la contracción lineal y la expansiónvolumétrica, se decidió adicionar estos modifica-dores a cada una de las mezclas propuestas enporcentajes de 5% y 10% en peso.

El hecho de emplear en cada mezcla estosporcentajes de modificador obedeció a la inten-ción de determinar, además de su posible efec-to, si se observaba una tendencia adicionalsobre sus características.

Estas mezclas denominadas mezclas secunda-rias, se evaluaron mediante los ensayos depunto de fusión y contracción lineal y de allí seobtuvieron las mezclas finales escogidas por-que presentaron mejor acabado superficial yuna contracción lineal mínima, con la más bajadesviación. Las mezclas seleccionadas, que setendrán como las mezclas finales, fueron:

- Macrocristalina - colofonia - camauba, en pro-porciones 45%, 45%, 10% : mezcla A

- Macrocristalina - colofonia - estearina en pro-porción 60% - 30% - 10%: mezcla B

- Microcristalina - abejas - camauba, en propor-ción 70% - 25% - 5 % : mezcla C

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Los anteriores porcentajes son en peso.

Estas mezclas fueron evaluadas según los en-sayos descritos inicialmente evidenciándose el

Tabla No. 1. Temperatura de Fusión y deAblandamiento para las mezclas finales.MEZCLA Tf (OC) Ta (OC)FINAL ASTM0127-83 ASTME28-82

A 69.0 70.0B 57.0 56.0C 75.5 71.0

marcado efecto de la estearina y la camauba enla disminución y el aumento, respectivamente,de los puntos de fusión y ablandamiento. (VerTabla 1).

La figura 3 muestra las respectivas curvas deenfriamiento de las mezclas finales. En ella seobservan las velocidades de enfriamiento de lasmezclas, siendo mayor la de la mezcla B, segui-da en su orden por la de A y la de C.

Respecto a la fluidez, la figura (4) muestra cómotodas las mezclas exhiben un intervalo de tem-peratura bien definido y en las que ocurrenvariaciones altas de flujo con leves cambios detemperatura. Es de anotar cómo la camaúba,desplaza el intervalo de fluidez hacia mayorestemperaturas, mientras que la estearina hace lopropio hacia temperaturas menores.

La figura (5) muestra las expansionesvolumétricas de las mezclas finales.

En los resultados arrojados por el ensayo deresistencia, tabla (2), se observa que pese a quelas mezclas no tenían puntos de fusión muycercanos, los valores de resistencia sí lo fueron.

80

70

65

80

55

50

45

o 10 15 20 . 25' 30 liSTiempo (mlnJ

40

Figura 3. Curvas de enfriamiento de las mezclas finales.

Fluidez (%)

100

80

60

40

20

30 35 40 45 50 55 80 65 70 75 80

TemperclturCl ·C

Figura 4. Curvas de flujO de las mezclas finales.

Expansión (ml/gr)

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85

Otro aspecto importante de analizar es lacavitación (poros) o la tendencia de ésta a Figura 5. Expansión volumétrica de las mezclas finales.

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Tabla No. 2. Resistencia a la tracción para las mezclasfinales.

MEZCLA RESISTENCIA A LA TRACCIONFINAL kg/cm2

ASTM O 1320 -73

A 21.73B 21.90C 19B3

presentarse en mezclas que se llenaron porcolada; en este caso se vió que la cavitación fuemucho menor en lasmezclas que tenían colofonia(A y B) que en la mezcla C; en la mezcla A fueprácticamente nula.

En la tabla (3) se muestra la contracción linealpara las mezclas finales variando la presión deinyección. Es evidente que el aumento en lapresión disminuye la contracción lineal y queexiste un punto óptimo de presión después delcual es impráctico aumentar la presión de inyec-ción.

Otra característica importante se refiere al he-Tabla No. 3. Contracción lineal para las mezclas finales variando lapresión de inyección.

CONTRACCION LlNEAL(rnmlnvn)·

Cepo Final Presión de Inyección (kg/cm2)O 1.80 6.3& 13.&8

A 11 0.0165 0.0157 0.0138 0.013911 0.0060 0.0062 0.0050 0.0063

B 11 0.0175 0.0170 0.0170 0.0138s 0.0060 0.0071 0.0069 0.0051

e 11 0.0212 0.0188 0.0187 0.01ns 0.0090 0.0095 0.0087 0.0081

cho de que, en aquellas ceras que contienencolofonia (A y B), el desmolde es excelente.

A continuación se relacionan las propiedadesprincipales de cada cera de las mezclas obteni-das.

CERA AComposición:

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MacrocristalinaColofoniaCamaúbaCaracterísticas Físicas:Punto de fusión ASTM O 127-63, -cPunto de ablan. ASTM E 28-82, -cRango de flujo (10 a 80%), oCResistencia a tracción,ASTM O 1320 - 73. Kg/cm2

Expansión volumétricaFusión total. mllgrPenetración. ASTM 1321 - 85a20DC mma44DC, mmContenido de cenizas.ASTM O 482 - 80. %Especificaciones:Temperatura de inyección. oc

CERAB

Composición:MacrocristalinaColofoniaEstearinaCaracterísticas Físicas:Punto de fusión ASTM O 127-63, -cPunto de ablan. ASTM E 28-82. oCIntervalo de flujo (10 a 60%). oCResistencia a tracción.ASTM O 1320 - 73. Kg/cm2

Expansión volumétricaFusión total. ml/grPenetración. ASTM 1321 - 85a 20 -c mma44DC, mmContenido de cenizas.ASTM O 482 - 80. %Especificaciones:Temperatura de inyección. oC

CERAC

45%45%10%

6970

41 -45

21.73

0.13

<0.104,40

0.0250

65/45

60%30%10%

5957

37 -42

21.90

0.10

0.809.67

0.0121

55/40

Composición:Macrocristalina 70%Abejas 25%Carnauba 5%Características Físicas:Punto de fusión ASTM O 127-63. -c 75Punto de ablan. ASTM E 28-82, -c 71Rango de flujo (10 a j. (%). oC 43 - 48Resistencia a tracción.

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