MOLDES PARA FUNDICIÓN

• Materiales para moldes

• Ejecución de los moldes

• Correcciones de los moldes y modelos

MATERIALES PARA MOLDES

ARENAS DE MOLDEO(Casting sands)

Constituyentes:• Arena (Sand) ≈ 90% en volumen• Arcilla (Clay) ≈ 7% en volumen• Agua (Water) ≈ 3% en volumen

Para mejorar alguna propiedad o combinación de propiedades específicas de las arenas de moldeo suelen añadirse pequeñas cantidades de aditivos.

Algunos aditivos aglutinantes pueden reemplazar totalmente a la arcilla.

ARENAMineral refractario en forma de agregados cuyo tamaño de partícula está comprendido entre 0,05 mmy 2 mm.Refractarios empleados para la ejecución de moldes:

PUNTO DENOMBRE COMPOSICIÓN SINTERIZACIÓN A

(°C)

Cromita Cr2 O4 Fe 1700Zirconita Zr Si O4 1650Olivina 2 (Mg Fe) Si O2 1590Óxido de silicio Si O2 1450 - 1500Chamota arcilla refractaria 1300 - 1400

calcinada

ARCILLASSon silicatos de alúmina hidratados, productos de cambios químicos por agentes naturales sobre rocas que contienen feldespato. Sus partículas son de tamaño coloidal, usualmente menor de 5 μm. Un apreciable número se encuentra por debajo de 1 μm.

Caolinitas: entre 0,1 μm y 1 μm

2 SiO2 · Al2O3 · 2 H2O

Al2 (Si2 O5) (OH)4

Structure of montmorilloniteLarge closed circles are aluminum, magnesium, sodium, or calcium. Small closed circles are silicon. Large open circles are hydroxyls. Small open circles are oxygen.ASM Metals Handbook, vol.15, Casting.

Arcilla plastificada con aguaLa arcilla adquiere plasticidad debido al agua absorbida entre los cristales. L. H. Van Vlack, A textbook of materials technology.

Cristales de arcilla (33 000 X)Con muy grandes aumentos se puede apreciar que los cristales de arcilla tienen una estructura laminar. Cuando las moléculas de agua son absorbidas entre las láminas, la arcilla es suave y plástica.Reproducido de L. H. Van Vlack, A textbook of materials technology.

Montmorilonitas o bentonitas: entre 0,1 mm y 200 Å

En fundición son más empleadas las bentonitas:

Na0,33

Bentonita de sodio (Al1,67 Mg0,33) Si4 O10 (OH)2

Ca0,33

Bentonita de calcio (Al1,67 Mg0,33) Si4 O10 (OH)2

Disociación de las arcillas

(calor)Al2 Si2 O5 (OH)4 → Al2 O3 + 2 Si O2 + 2 H2 O

Al calentar las arcillas alrededor de 500 a 550 °C se elimina el agua de hidratación. Al ocurrir la disociación se forman algunas estructuras de transición, pero mayormente estructuras amorfas no cristalinas a partir del Si O2 y del Al2 O3.

Debido a su pequeño tamaño, las arcillas revisten los granos de arena y proporcionan el efecto aglomerante al ser humectadas, permitiendo que las arenas de moldeo desarrollen su resistencia al ser adecuada-mente compactadas.

En fundición se prefieren las bentonitas, ya que debido al tamaño pequeño de sus partículas, a igualdad de masa, suministran una mayor superficie de adherencia a las arenas y se requiere de una menor cantidad de agua para lograr el efecto cohesivo.

Tipos de arenas de moldeo

Por su origen:• Naturales • Sintéticas

Por su contenido de humedad:• Verdes [green sand]• Secas [dry sand]

Características de la arenas

• Tamaño de los granos• Distribución de tamaños

redondeados• Forma de los granos:

irregulares

La AFS define:- Redondeados (Rounded)- Angulares (Angular)- Subangulares (Sub-angular)- Compuestos (Compounded)

Granulometría de las arenas

Intersticios Granos de arena

Los granos finos entre los granos gruesos tienden a reducir el volumen de los poros y, en consecuencia, a disminuir la permeabilidad de una arena de moldeo.

Dos tamaños de granos de arena redondeados. 35 X. ASM Metals Handbook, vol.15, Casting.

Tamaño de los poros en la superficie de moldes confec-cionados con una arena gruesa y una arena fina. 35 X. ASM Metals Handbook, vol.15, Casting.

Superficie específica de un grano (SE)

área superficial del granoSE = —————————————

masa

Superficie específica teóricaEs la superficie específica de una partícula que tiene la forma de una esfera perfecta.

Coeficiente de angulosidad (CA)SEreal

CA = —————SEteórica

Para esferas perfectas: CA = 1

EJEMPLO DE DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE FINURAAFS DE UNA ARENA DE MOLDEO

TAMIZ ki wi pi pi × kiAFS (g) (%)

6 3 0,0 0,0 012 5 0,0 0,0 020 10 1,9 3,8 3830 20 5,9 11,8 23640 30 9,2 18,4 55250 40 12,8 25,6 102470 50 11,0 22,0 1100

100 70 2,8 5,6 392140 100 0,0 0,0 0200 140 0,0 0,0 0270 200 0,0 0,0 0

Fondo 300 0,0 0,0 0

arena 43,6 g 87,2 % 3342arcilla 6,4 g 12,8 %

50,0 g 100,0 %

Índice de finura de una arena

Σ pi × k i 3342(IF) = ————— = ———— = 38

Σ pi 87,2

Representa el número de tamiz hipotético por el que pasarían todos los granos si fuesen de tamaño uniforme.Para evaluar la regularidad de tamaño de los granos se emplea la fracción principal.

Fracción principal de tres tamicesSuma de los tres porcentajes mayores y adyacentes

18,4 + 25,6 + 22,0 = 66,0

66,0Fracción Principal = ———— = 0,76 o 76%

87,2

Expresa la uniformidad de tamaño de los granos de la arena:

mayor de 80 : uniformeentre 60 y 80 : poco uniformemenor de 60 : no uniforme

Distribución del tamaño de granos en las arenas

1. Arena silícea belga 2. Arena silícea suiza

Ref. F. Hofmann. Tecnología de los materiales de moldeo en fundición. Madrid: Editecnia. 1961.

Ref. F. Hofmann. Tecnología de los materiales de moldeo en fundición. Madrid: Editecnia. 1961.

Curvas acumulativas de la distribución de tamaños de grano de las arenas 1 y 2.

PROPIEDADES DE LAS ARENAS DE MOLDEO

1 Resistencia:- en verde- en seco- en caliente

2 Permeabilidad3 Estabilidad térmica4 Colapsibilidad (Retractibilidad)

Friabilidad5 Reutilización

(Las numeradas son las citadas por Groover)

Relaciones típicas de la resistencia en verde de una arena de moldeo en función del contenido de humedad y de la forma de los granos. [L.E. Doyle et al.]

(a) (b)Variación de la resistencia en verde y de la permeabilidad de una arena de moldeo en función del porcentaje de humedad,

(a) para arenas de distintos tamaños de grano;(b) para arenas de distinta forma de grano. [L.E. Doyle et al.]

Técnicas de fundición en moldes desechables

MOLDEO AL CO2

Se puede emplear silicato de sodio o de potasio

Na2O · m SiO2 + n H2O + CO2 → m SiO2 · n H2O + Na2 CO3

líquido gel de sílice

MACHOS DE ARENA (Sand Cores)

Función principal:Formar cavidades en las piezas fundidas

Su empleo se fundamenta en:• Su resistencia mecánica• La facilidad de su extracción por

desmoronamiento o disgregación

Otras aplicaciones de los machos de arena seca

• Algunos moldes pueden ser hechos enteramente de arena para machos.

• Los machos pueden constituir partes del molde para lograr formas complicadas.

• Los machos pueden emplearse como elementos del sistema de conductos de colada.

EJECUCIÓN DE MOLDES

• Usualmente los moldes desechables se ejecutan por compactación de la arena de moldeo o por la aplicación de un recubrimiento refractario sobre un elemento conocido como modelo (pattern) que servirá para formar la cavidad deseada.

• Los moldes permanentes suelen ser de metal, mecanizados ya sea a partir de bloques sólidos o de formas obtenidas por fundición. Cuando se requiere de moldes inertes se suele emplear grafito.

EJECUCIÓN DE MOLDES

Compactación de las arenas de moldeo

• Manual• A máquina:

- Por compresión [ squeezing ]- Por sacudida [ jolting ]- Por proyección o lanzamiento de arena [ slinger ]

Características de las isofirmes

Ensayo de un modelo en un molde apisonado por presión

Antes del apisonado Después del apisonado

F. Hofmann. Tecnología de los materiales de moldeo en fundición. Madrid: Editecnia. 1961.

Apisonado de las arenas de moldeo

Manual Por compresión(squeezing)

Por sacudida Por proyección(jolting) (slinging)

Máquina para proyección de arena (sand slinger)

[Figuras reproducidas de H. Taylor, M. Flemings y J. Wulff . Fundición para ingenieros. México: Cecsa. 1961.]

Moldeo a máquina Moldeo sin caja (flaskless molding)

Flaskless Molding machine

Confección mediante terraja de un molde de arcilla (loam molding)para una campana de gran tamaño. [Taylor, Flemings, Wulff]

Confección con terraja del molde para una campana en fosoB.L. Simpson. Development of the Metal-Casting Industry

Moldeo en foso de la carcasa de una bomba de gran tamañoJ. G. Sylvia. Cast Metals Technology. Massachusetts: Addison-Wesley. 1972.

Modelos para fundición (pattern)Reproducen la forma de la parte a obtener y se emplean para lograr la cavidad del molde. Al ejecutarlo se aplican diversas correcciones.

Tipos de modelos• Simples (single pattern)• Con conductos (gated pattern)• Placas modelo:

- de doble cara (match plate)- de simple cara (cope and drag pattern)

• Modelos o dispositivos especiales

EjemploEjecución de un cilindro hueco en molde de arena

Pieza a obtener Modelo

Modelo con conductos de colada

Placa modelo

Materiales para la elaboración de modelos

- Madera

- Metales: ej. aluminio, hierro fundido

- Resinas sintéticas: ej. resinas epóxicas

- Yeso

- Materiales fusibles: ej. cera, poliestireno expandido

CORRECCIONES DE LOS MOLDESY MODELOS PARA FUNDICIÓN

• Por contracción sólida• Por ángulo de salida

(Cuando deba abrirse el molde para extracción de la pieza o el modelo)

• Por mecanizado(creces, excesos o sobreespesores para mecanizado)

Ver tablas de valores recomendados

Corrección por contracción sólidaPara un acero de 0,25% de carbono

0,136

0,127

ΔV 0,136 - 0,127 — = ———————— = 0,071V 0,127

considerando:

ΔL 1 ΔV 0,071 —— ≈ — —— = ——— = 0,024L 3 V 3

la corrección será de:

1000 mm mm0,024 × —————— = 24 ———

1 m m

Dmodelo = 150 (1,024) = 153,6 ≈ 154 mm

Ejemplo aplicativoDiámetro del modelo para un cilindro en bruto de ∅ 150 mm

Corrección por ángulo de salida