III Materiales de moldeo

IntroduccinMoldes unitarios. Tipos de moldesArenas, y aglutinantesMateriales auxiliares, (Aditivos y pinturas)Mezclas y propiedades mecnicas de stas.

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

Materias primasFundentes Metales Chatarra-CoqueArenaHorno de crisol o reverberoHorno de induccinHorno de CubiloteMetal lquidoOlla de coladaPreparacin de la arenaMoldeounitarioLlenado de moldes (colada)corazonesFabricacinde corazonesMaterias primasDesmoldeoEnfriamientoy limpiezaCorte yAcabadoDiagrama de flujo: Proceso de FundicinMolde no unitario

Tipos de moldeMolde unitario Molde de arena en verde (Green sand mould) (MU)Moldeo en cscara (Shell mould)A la cera perdida o de precisin (Investment casting)Modelo evaporable (Lost foam o full mold)

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

Materiales de moldeo para molde unitarioMateriales principales de Moldeo: Arenas y aglutinantesMateriales Auxiliares: Aditivos y pinturasPreparacin de Mezclas de moldeo: Caractersticas y propiedades mecnicas.

CARACTERISTICAS DEL PROCESOUtiliza modelos permanentes re-usablesLa arena puede ser reciclableLa preparacin de la mezcla de moldeo es CRTICA (paso controlante del proceso)Hay diferentes mtodos de moldeo (manual, mecnico, automtico.Se utiliza tambin para fabricar corazones

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

VENTAJAS DEL MOLDE DE ARENAFORMA RPIDA Y ECONMICA DE OBTENER LA CAVIDAD DEL MOLDE.

OBTENCIN DE PIEZAS DE CALIDAD ADECUADA.

NICO MTODO PARA FABRICAR PIEZAS DE GRAN PESO Y TAMAO.

Caractersticas y elementos de un molde de arena en verde

Tipos de moldes unitariosMoldeo en arena en verde: arena, bentonita (aglutinante inorganico) y agua. (el mas utilizado)

Arena con aglutinantes orgnicos: mezcla de arena con aglutinantes sintticos (resinas) curados qumica o trmicamente. ( Shell, Autofraguante No Bake y Pet Set)

Molde seco: Aplicacin de pintura refractaria. secado de la cavidad del molde de arena en verde, hasta una profundidad de 10-25 mm. Usando quemadores o lmparas de secado.

MOLDE EN VERDEMOLDE EN SECO

ARENAS DE MOLDEOde acuerdo con las normas de la A.F.SAmerican Foundrymen Society

La industria de la fundicin continua aprendiendo cada da mas acerca de los materiales que se utiliza en sus procesos, una de las materias primas mas importantes en los procesos de fundicin es la arena para moldeo, por lo que el conocimiento de los tipos y propiedades relacionados a la arena y como ellas trabajan efectivamente en el proceso, nos llevar a tomar decisiones acertadas de este material a fin de garantizar un producto final de optima calidad.

La mayor cantidad de piezas de fundicin se produce en moldes de arena. Es importante mencionar que un control cientfico sobre cada una de las propiedades de las arenas, as como la aplicacin de ensayos de laboratorio, nos ayudar a optimizar nuestros mtodos y procesos de trabajo.

Arena de fundicin para moldeo en verdeArena slica (SiO2) Composicin qumica tpica: SiO2 (97.91%), Al2O3 (1.13%), Fe2O3 (0.50%)K2O (0.65%) , perdidas por ignicin (0.21%), Otros: TiO2, CaO, MgO, Na2O (Balance)

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

Tipos de arenasNaturales: 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 comn solo adicionar agua para lograr propiedades aceptables de la arena.Sintticas: estos materiales son lavados cribados y clasificados por tamaos y formas. Para hacer la mezcla de moldeo debe adicionarse aglutinantes (bentonita) y agua

Arena sinttica

Refractabilidad: Estable a altas temperaturasEstabilidad dimensional y qumica a alta temperaturaCohesividad: Habilidad para retener la formaPermeabilidad: Habilidad para permitir que los gases escapenColapsabilidad: Habilidad para permitir que el metal se contraiga en la cavidad sin que se fracture la piezaResistencia: para mantener la forma y resistir la erosinEstabilidad trmica: resistir la fractura al entrar en contacto con el metal lquidoRe-usabilidad: reciclado de la arena despus del desmoldeo de la piezaDiversidad de formas y tamaosDisponibilidad y consistenciaCompatibilidad con medios aglutinantes

Caractersticas deseables de la arena de moldeo

Propiedades fsicas de la arena de slicesegn la AFS.

Tamao y forma de granodistribucin granulomtricaNivel de pH 7.0Demanda cida (ADV)0.5ml de HCl como mx.Contenido de arcilla0.25% como mx.Prdida de ignicin (LOI)0.30% como mx.Punto de fusin1700C como min.Humedad0.10% como mx.

CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE LA ARENA DE SILICEA F SCOMPOSICIN QUMICA DEL 98% DE SIO2FORMA Y TAMAO DE GRANODISTRIBUCIN GRANULOMTRICADENSIDADCONTENIDO DE ARCILLAHUMEDAD

CONTROL EN LA RECEPCION GRANULOMETRA y FORMA DE GRANO% HUMEDAD% DE ARCILLAPUREZA QUMICA(L.O.I.)

Aplicaciones de la arena de fundicin.a) Moldeo en verde.b) Silicato de sodio CO2.c) Moldes y corazones, procesos qumicos.Shell (cscara).Caja caliente (Hot-Box)Auto-fraguante (No-bake).Caja fra (Cold box).

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

Forma: arena slica (SiO2)

Se determina por medio del nmero AFS, indica la fineza o tamao del grano de arena. La granulometra y distribucin se determina mediante anlisis de mallas Tamao del grano:

Granulometra AFS80 % retenido entre las mallas40-4550, 70, 10055-6070, 100, 12080-90100, 140, 200100-110140, 200, 270

Determinacin de la granulometra AFS85 % retenida en 3 mallas

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

Coeficiente de expansin trmica de la arenas para fundicin

Efectos de la forma y tamao del grano:

Grano fino mejorar el acabado superficial de las piezas

Grano grueso mayor permeabilidad, facilidad para que escapen el aire y los gases durante la colada

Formas irregulares del grano aumentan la resistencia por la intercomunicacin a diferencia de los granos redondos

Desventaja: la intercomunicacin reduce la permeabilidad

Aglutinantes usados en las arenas para moldeo en verdeLa arena (SiO2) se aglutina debido a la adicin de bentonita y agua. Mezcla tpica: 90 % arena, 3-4 % agua, 7-10 % bentonita

Aglutinante(s) para arenas en verdeBentonita sdica y clcica : componentes caolinita (Al2O3.2SiO2.2H2O), montmorillonita (Al2O3.4SiO2.2H2O) e illita (micas)

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

BENTONITAS (Arcilla)DE ORIGEN VOLCNICO, SON ROCAS QUE QUEDARON SEPULTADAS EN AGUA MILES DE AOS PRODUCIENDO UNA NUEVA ESTRUCTURA.

UNA FORMA DE ESTIMAR LA CALIDAD DE LAS BENTONITAS ES MEDIANTE LA CAPACIDAD DE ABSORCIN DE AGUA.

OTRA FORMA DE EVALUARLAS ES MIDIENDO EL GRADO DE HINCHAMIENTO O EXPANSIN

Inchabilidad

La presencia de agua sobre el aglutinante tiene efectos sobre el intercambio inico que afectan la plasticidad de la mezcla arena-bentonita-agua, provocando la unin entre granos (aglutinamiento)Bentonita sdica: retiene propiedades y mantiene vida de bancoBentonita clcica: proporciona elevado aglutinamiento pero con poca retencin de propiedades (vida de banco corta)

Punto temper: punto en el cual se obtiene la mayor resistencia (compresin-psi) y la mnima densidad en una mezcla de arena de moldeo. Indica las propiedades mximas de la mezcla de moldeo en verdedensidadresistenciaMezcla arena-bentonita-agua y propiedades

Ejemplos de cantidades de bentonita-agua en la arena en verdeEjemplo: 1) 6 % bentonita trabaja bien con 3 % de humedad y

2) 12 % bentonita produce mejores propiedades con 5 % de humedadControl de la humedad y la bentonita es fundamental en la planta.

Objetivo: Propiedades mecnicas: la resistencia, permeabilidad, Propiedades fsicas: acabado superficial, evitar adherencia al molde, etc.Aditivos auxiliares: Melasa, harina de madera, mogul (cereal de maz), dextrina, carbn marino, FeO, algunas veces brea, harina de slice, etc.

Aditivos para mezclas de moldeopropsitoaditivoMejora el tiempo de banco y la resistencia al secadoMelazaHarina de cerealEtilenglycolazufreDesarrollo de resistenciaHarina de slicexido de hierroAcabado superficial y resistencia a la penetracin de metalCarbn marinoHarina de sliceInhibir la reaccin metal-moldeAzufrecido BricoBifloruro de amonio

CARACTERISTICAS TCNICAS DE UNA MEZCLA DE MOLDEORESISTENCIA MECNICAPLASTICIDADREFRACTARIEDADPERMEABILIDADCOLAPSIBILIDADFLUIDEZ

Propiedades mecnicas de mezclas de arena% Humedad Granulometra. Tamao de grano) AFSResistencia a la compresin en verdePermeabilidadDureza del molde% de compactabilidadMoldeabilidad (en %)Arcilla activaArcilla latente Arcilla AFS (Finos presentes en el sistema)Densidad (Compactacin)http://www.kelsonfoundryequipments.com

http://www.dietertlab.com/products.htmlAnalysis sieve

% Humedad: Esencial entre cierto rango ya que en combinacin con el % de bentonita y la arena define las propiedades de la mezclaTamao de grano y forma: Definen la permeabilidad, resistencia, demanda de bentonita de la mezclaResistencia a la compresin en verde: Determina las cargas de metal, molde o adobera que puede soportar la mezclaPermeabilidad: Tiene relacin 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 hmedoDureza del molde: Determina la dificultad de erosionar el molde cuando se une cope (tapa) y drag (base) del molde, as como evitar arrastres durante el llenado

Conceptos bsicos 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 desempea la funcin de unir los granos eficientemente cuando se activa con agua

Arcilla latente: arcilla degradada que pierde sus propiedades de aglutinate

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

Variables que afectan las propiedades de la mezcla de arena en verdeMezcla en verdeArena: distribucin granulomtrica, tamao, forma, tipo, % finos, etc.Agua % de humedad: tipo de humedad (combinada y libre)Bentonita: tipo de bentonita, contenido, bentonita activa, bentonita circulante, etc.Nivel de aditivosProcesoTiempo de moldeo, temperatura de la mezcla, equipo de moldeo, compactacin-tipo de moldeo, limpieza de la mezcla, grado de descomposicin de los granos, tiempo de reciclamiento, etc.Metal: Tipo de metal, temperatura de colada, tiempo de desmoldeo, etc.

Caractersticas para mezclas de aleaciones ferrosas: tienen mayores densidades y en general las temperaturas de colada son altas (aceros y hierros colados)Mayor refractabilidadMayor resistenciaMayor permeabilidadMayor durezaResistencia al impactoPropiedades tpicas?

Caractersticas para mezclas de aleaciones no ferrosas: tienen menores densidades y las temperaturas de colada son ms bajas (Al, Mg)Refractabilidad moderadaMenor resistenciaMenor permeabilidadPeso de la probeta menor (en el formador de probetas)Propiedades tpicas

Corazones (machos noyos)Son insertos en la cavidad del molde previos a la coladaEl metal lquido fluye entre la pared del molde y del corazn, 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 corazonesOtros agentes aglutinantes:Resinas orgnicas: resinas fenlica y furnicasAglutinantes inorgnicos: silicato de sodio y fosfato

Procesos para elaborar corazones:Silicato-CO2Resina: furnicas, fenlicas, etc.Caja fraCaja calienteMquina para corazones shellAcabado de corazones

Proceso Silicato-CO2Silicato de sodio (vidrio lquido) sus caractersticas las definen la relacin de peso y el contenido de slidos.El silicato comercial ms comn tiene una relacin de peso de 3.22 partes de silicato y 1 parte de xido de sodio, el cual se conoce con el nombre de modulo 3.22 SilicatoEsta relacin de peso generalmente contiene entre 36 y 38 % de slidos y el balance es agua. Tiene un pH de 13 y se comporta como un detergente muy fuerte. Esta mezcla es completamente soluble en aguaUso: 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 aplicacin del CO2 para su endurecimiento debe permitir su paso a travs de toda la masa de arenaSe debe usar regulador para el control de la presin de CO2. En general no se necesita ms de 10-15 psiReaccin silicato/CO2Se debn eusar venteos (clavos o alambre) para una eficiente dispersin del gas en la masa de arena. Una regla general es aplicar CO2 con una presin de 10 psi durante 5-10 seg. por libra (0.454 Kg) de arena, con lo que se alcanza suficiente resistencia del corazn y se puede extraer de la caja de corazones

Mezcla general para corazones y propiedades tpicasComposicin: 100 % arena slica tamao medio) 1.5 % almidn 1.5 % aceite 2.5 % humedadPermeabilidad 200Resist. a la compresin en verde 2 lb/in2 (14 KN/m2)Resist. A la compresin en seco 1000 lb/in2 (6.9 MN/m2)Resit. A la tensin en seco 250 lb/in2 (1.7 MN/m2)

Mtodos de moldeo

Moldeo manual: baja produccinMquina moldeadora por sacudida y vibracin: media a alta produccinMoldeo vertical sin caja (mquinas moldeadoras): alta produccinMoldeo en fosa (Pit molding): piezas muy grandes ejemplo: vlvula para agua de 36 plg

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

Ventajas-Desventajas del moldeo manualVentajasBajo costo de equipoTamao de moldeCualquier tipo de molde: suelto, placa, media placa, etc.

DesventajasReproducibilidadExperiencia del moldeadorEfecto de la mezcla de moldeoVelocidad de moldeo

Moldeo a mquina

Moldeo a mquina

Ventajas-Desventajas del moldeo con mquinaDesventajasCosto de equipo y mantenimientoPersonal capacitadoTamao de piezaSolo modelos en placa

VentajasVelocidad de moldeoReproducibilidadAlta compactacin

Moldeo vertical a mquina (etapas) www.disagroup.com

Ventajas-Desventajas del moldeo verticalVentajasVelocidad de moldeoReproducibilidadAlta compactacinVelocidad de moldeo alta

DesventajasCosto de equipo y mantenimientoPersonal capacitadoTamao de piezaSolo modelos en placa

Lnea de moldeo y colocacin de corazones

Moldeo en Arena: Ventajas y DesventajasVentajasMolde barato/unidadGeometra complejaCualquier aleacinTamao ilimitado (?)Econmico en baja cantidadesCosto del herramental bajoRe-uso de la arena con poco ajusteObtencin de la forma final de la pieza (near net shape)

DesventajasCosto por pieza altoLabor intensivaBaja velocidad de produccinAcabado superficial rugosoBajas tolerancias dimensionalesPiezas de espesores relativos de pared gruesos (0.120)

Reglas bsicas para moldeo en arena

ProcesoVentajas LimitacionesArena en verdeCualquier metal se puede utilizar, no hay limite de tamao ni peso. Bajo costo de equipo y herramentalRequiere de acabado final. Amplias tolerencias dimensionalesCscaraBuena exactitud dimensional y acabado superficial. Alta velocidad de produccinTamao de pieza limitada. Modelos y equipo carosEvaporablePueden colarse la mayora de los metales. No hay lmite de tamao ni de complejidad de la piezaLos modelos tienen poca resistencia y son muy costosos en bajas cantidadesYesoPiezas intrincadas, buena exactitud dimensional y acabado. Baja porosidadLimitado a no ferrosos. Tamao y volumen del producto es limitado. Tiempo de fabricacin del molde largoCermicoPiezas intrincadas , buen acabado superficial. Buena exactitud dimensionalTamao limitadoCera perdidaFormas intrincadas, excelente acabado superficial, buena tolerencia dimensionalTamao limitado. Modelos, equipo y acabado costosoM. Permanente

C. a presinBuen acabado superficial y exactitud dimensional. Alta velocidad de produccinAlto costo del molde. Limitado en tamao y complejidad. No es muy conveniente para metales de alto punto de fusinCosto elevado del molde. Tamao limitado. Se aplica ano ferrososC. CentrifugaPartes cilndricas huecas, buen acabado superficial. Alta velocidad de produccinEquipo car y forma de piezas muy limitada

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