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Informe Arenas
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INTRODUCCIÓN
En cualquier proceso de moldeo son factores el moldeo y el material del
mismo, resultando muchos problemas y muchos defectos de las piezas, si no
se seleccionan adecuadamente los materiales para el molde. Como la arena es
el material básico que emplea el fundidor para realizar estos moldes donde se
va a vaciar algunos metales líquidos o aleaciones tales como hierro, acero,
aleaciones de cobre, etc. nos ocuparemos en este informe de describir el
ensayo de arena realizado en el laboratorio, proceso en el que se determinan
las propiedades de la arena, las cuales son analizadas para la construcción de
un molde (de arena) eficiente que será utilizado posteriormente en un proceso
de fundición.
En la primera parte informe se estudiara el análisis de arena en el cual se
obtendrá la composición de la arena (%bentonita - %sílice – %humedad) así
como también el índice de finura haciendo uso de los tamices y el tamaño de
grano que mediremos haciendo uso de tablas.
En la segunda parte informe se realizaran ensayos a las arenas de moldeo
manteniendo constante el porcentaje de bentonita (aglutinante) y variando el
porcentaje de humedad con lo cual obtendremos propiedades mecánicas
como: compactibilidad, permeabilidad, resistencia a la compresión y al corte;
con lo cual tendremos una orientación en la composición de la arena a usar en
el moldeo para que evitar al mínimo defectos internos en la pieza hecha por
fundición.
En la tercera parte del informe se realizaran ensayos a las arenas para
macho(almas) manteniendo constante el porcentaje de humedad y variando el
porcentaje de bentonita (aglutinante) y obtendremos las propiedades
mecánicas como: flexión, compresión, tracción, corte ; que nos dará una
orientación en la composición de la arena a usar para los machos (almas).
FUNDAMENTO TORICOCon la palabra arena nos referimos a una serie extensa de materiales
minerales granulados de la cual definiremos como arena de moldeo a la mezcla
preparada en base a una arena generalmente sílice, aglutinante y agua, que se
emplea en la fabricación de partes de un molde.
Los procesos de fusión de piezas, tradicionalmente han utilizado las arenas
para la fabricación de los moldes, y en general, se puede demostrar que un
gran porcentaje de los defectos de fundición están asociados con la calidad de
ella, para que no ocurra ello tendremos que tener un estricto control de la
composición de la arena.
La arena para moldeo debe cumplir con los siguientes requerimientos:
Estabilidad térmica y dimensional a elevadas temperaturas.
Apropiado tamaño y forma del grano.
No debe reaccionar químicamente ni mezclarse fácilmente con el metal
fundido.
Debe dar libertad para el escape de los gases producidos por el calor.
Disponibilidad económica.
Composición Química
Compatibilidad con el sistema de aglomeración.
Tipos de Arena:
I. Arena Sílica (SiO2): se encuentra en muchos depósitos naturales, y es
adecuada para propósitos de moldeo por que puede resistir altas
temperaturas sin descomponerse. Esta arena es de bajo costo, tiene
gran duración y se consigue en una gran variedad de tamaño y formas
de grano. Por otra parte, tiene una alta relación de expansión cuando
está sometida al calor y tiene cierta tendencia a fusionarse con el metal.
La arena sílica pura no es conveniente por sí misma para el trabajo de
moldeo puesto que adolece de propiedades aglomerantes. Las
propiedades aglomerantes se pueden obtener por adición de 8 a 16% de
arcilla. Los tres tipos de arcilla comúnmente usados son, la Caolinita, Ilita
y Bentonita. Esta última, usadas con más frecuencia, proviene de
cenizas volcánicas.
En nuestro país tenemos abundantes yacimientos y su empleo es muy
adecuado para la elaboración de moldes y machos usados para la
fabricación de piezas fundidas. Una característica importante de esta
arena, para su empleo es que sea lavada y presente características
definidas.
La arena sílice procede de la sierra central y sus características son las
siguientes:
Número de finura A.F.S.: 52
Número de tamices: 4 -- Rechazos 90,05%
Grano medio: 0,32 mm en el 50% de cernidos
Pérdidas por calcinación: 0,12%
Humedad: Variable no mayor a 8%
II. Arenas naturales (semisintéticas): estas se han formado por la
erosión de las rocas ígneas; se mezclan adecuadamente con arcillas al
extraerlos en las canteras y solo se requiere agregarles agua para
obtener una arena conveniente para moldeos de piezas fundidas de
hierro y metales no ferrosos. La gran cantidad de materia orgánica
encontrada en las arenas naturales impiden que sean lo suficientemente
refractarias para usos en temperaturas elevadas, tal y como en el
modelo de metales y aleaciones con alto punto de fusión.
III. Las arenas de moldeo sintéticas: se componen de Sílice lava de
granos agudos, a lo que se añade 3 a 5% de arcilla. Con las arenas
sintéticas se generan menos gas ya que se requiere menos del 5% de
humedad para que desarrolle su resistencia adecuada.
A medida que aumente el tamaño de las piezas a fundir conviene elegir
también arena con granos más gruesa, de mayor resistencia y refracción. La
arena ideal, seria aquella que se adaptara perfectamente bien para moldes
destinados a distintos trabajos.
Para la fundición de piezas cuya superficie deben presentar buen aspecto sin
trabajos posteriores a la fundición, se hace necesario el empleo de moldes de
arena fija.
Este tipo de arena es recomendable ya que gracias a su contenido es posible
obtener mayor permeabilidad, lo que conlleva a una disminución de los
defectos de la pieza.
A continuación se indican los distintos tipos de arena y la forma de empleo para
construir moldes de fundición, según la naturaleza de cada metal.
Los moldes para el cobre se hace de arena verde mojada, muy poroso,
para permitir el libre escape de los gases.
Los latones requieren arenas especiales, no muy grasosas pero de
buena cohesión. Para que la superficie de las piezas fundidas resulte
lisa y de buen aspecto, se aplicará arena de granos más bien finos y con
una cierta cantidad de arcilla, sin olvidar, por otro lado que esta última ha
de estar limitada, para que no impida la salida de los gases.
Para los bronces se pueden aplicar moldes de arena verde o los
llamados desecados. Los primeros se adaptan mejor para la fundición
de piezas pequeñas, mientras que los segundos se usan para piezas de
mayor tamaño.
Para el aluminio y sus aleaciones, se usa arena que no ha de ser ni muy
grasosa ni demasiado fina, con un contenido de arcilla de 10 a 15% y de
7 a 8% de agua; a esta arena se le agrega un poco aceite de lino,
melaza, polvo de carbono o resina para aumentar la cohesión.
Para las aleaciones de magnesio se aplica, por lo general, los mismos
moldes que para la fundición del aluminio, pero con una diferencia
solamente, que consiste en agregar a la arena de 3 a 10% de azufre y
de 0.25 a 1% de ácido bórico. Esta 2 sustancia tienen por objeto, formar
gases durante la fundición para impedir quemaduras en la superficie del
metal o agujeros.
Calidad de las arenas
Para determinar la calidad esencial de la arena de fundición se hace necesaria
algunas pruebas periódicas. Las propiedades cambian por contaminación con
materiales estaños, por la acción del lavado en el recocido, por el cambio
gradual y la distribución de los tamaños de grano y por la continua exposición
de esta a altas temperaturas. Las pruebas pueden ser tanto químicas como
mecánicas, pero a aparte de la determinación de los elementos indeseables en
la arena, las pruebas químicas son de poco uso. Las mayorías de las pruebas
mecánicas son simples y no requieren equipos elaborados.
Varias de las pruebas están diseñadas para determinar las siguientes
propiedades de la arena de moldeo:
Permeabilidad. La porosidad de la arena que permite el escape de
los gases y vapores formados en el molde. Está
permeabilidades muy altas son indicativos de una arena muy gruesa que
permite el libre paso de los gases de fusión, pero que también queda
desprotegida ante la acción del metal sobre la arena, esto desencadena
el principio de penetración, este tipo de arena es muy fácil de humectar y
demanda cantidades bajas de humedad.
permeabilidades muy bajas generan una mejor superficie de pieza, pero
desfavorecen la salida de gases de fusión generando problemas de
soplado, este tipo de arena es muy difícil de humectar y generalmente
demanda una mayor cantidad de agua.
la forma de control de permeabilidad se basa en el principio de agregar
arena más fina o más gruesa al sistema de arenas, estas adiciones
modifican los porcentajes de retención en las diferentes mallas, la
desventaja de esta adición es que, usualmente son arenas nuevas y se
provoca una condición de expansión térmica que puede ocasionar
defectos de expansión.
o Resistencia. La arena debe ser cohesiva hasta el grado de que
tenga suficiente ligazón, tanto el contenido de agua como el de
arcilla, afecta la propiedad de la cohesión.
Resistencia en seco: es la resistencia necesaria en la arena para
mantener la forma de la cavidad del molde cuando este seca.
Resistencia en verde: es la capacidad de la arena para formar grumos
para retener la forma necesaria. Esta afectada principalmente por el
nivel de humedad, a mayores contenidos de humedad la resistencia en
verde tiende a disminuir y viceversa. la arcilla útil es otra de las
propiedades que la modifican, Su relación es directamente proporcional,
a mayor arcilla útil, mayor resistencia y viceversa
Refractariedad: La arena debe resistir las altas temperaturas sin
fundirse.
Resistencia en caliente: Esta resistencia hace que la arena no se
deteriore ni cambie sus dimensiones. Una vez que el metal se solidifica y
seca las orillas del molde, la arena se calentará mucho; pero en ese
momento se solidificó el metal y no es crítico el estado de la arena.
Desprendimiento: Es la facilidad de la arena para sacudirla o sacarla
después que solidificó la pieza. Si la arena tiene mucho aglutinante se
endurece mucho al secarlas y se hace difícil separarla de la pieza
fundida.
Compactabilidad: La compactabilidad se refiere a la propiedad de la
arena de reducir su nivel después de ser humectada, esta propiedad
determina la fluidez del molde y la capacidad del molde a ser formado
aun en configuraciones difíciles o profundas. Modifica a casi todas las
propiedades. Su efecto es detectado casi inmediatamente desde la
formación del molde.
La compactabilidad está asociada a defectos de expansión y defectos
de erosión, su control es fundamental en el sistema de arenas.
La variable directa que se puede asociar con esta propiedad es la
humedad, no está condicionada a ninguna otra.
Humedad: Esta propiedad se refiere exclusivamente a la cantidad de
agua que ha sido introducida a la arena de moldeo, es una variable
definida a discreción del operador del molino y basado en resultados de
compactabilidad. Se relaciona con defectos tales como penetración,
soplado, poro arena de moldeo, moldes rotos, etc.
La humedad está relacionada directamente con la compactabilidad, área
superficial y el contenido de arcilla útil.
No necesariamente las arena catalogadas como “secas” tienen una baja
humedad.
La resultante de su utilización es la generación de vapor de agua y su
posterior reacción con gases de fusión.
Tamaño y forma del grano. La arena debe tener un tamaño de grano
dependiente de la superficie que se trate de producir, y los granos deben
ser irregulares hasta tal grado que mantenga suficiente cohesión.
Clasificación De Las Arenas De Moldeo
Ésta se puede clasificarse según su contenido de arcilla, la forma de su grano
así como las dimensiones del mismo grano.
Por el contenido de arcilla:
Arenas grasas (18 por ciento de arcilla)
Arena semi-grasas (8-18% de arcilla)
Arenas magras (5-8% de arcilla)
Arenas cívicas (menos de 5% de arcilla)
Por la forma de grano:
Arena de grano esfenoidal
Arena de grano angular
Arena de grano compuesto
Por la dimensión del grano:
Arena de grano grueso
Arena de grano mediano
Arena de grano fino
AglutinanteSe utilizan para la preparación de las arenas de moldeo, así como para
reforzar a las arenas, y esta manera lograr que los moldes sean resistentes y
no se rompan.
Estos se clasifican de la siguiente forma:
Inorgánico de tipo arcilloso: arcilla y bentonita
Inorgánico de tipo cementoso: cementos y silicatos
Orgánico: cereales, lignina, melaza, alquitrán y aceites vegetales
Arcillas:La razón por la que se utiliza arcilla en la mezcla de arena de moldeo es que
esta sirve como aglutinante para los granos de arena, básicamente se utilizan 3
tipos de arcilla.
BENTONITA SODICA
BENTONITA CALCICA
KAOLINITA
Todas estas arcillas presentan una misma estructura básica de tal forma que
cuando se reducen tienen la apariencia de planos u hojas
Propiedades de las arcillas:
PROPIEDAD BENTONITA SODICA BENTONITA CALCICA ARC. REFRACTARIA
COLOR GRIS-AZUL BANCO GRIS A AMARILLO GRIS A CAFÉDENSIDAD 55-68 47-60 70-80pH 8-10 7-10 4-5VOLATILES A 900°F 1-3 2-5 1-3VOLÁTILES A 1800°F 5-6 6-8 9-10% ORGANICOS <1.0 <1.0 APROX 1.0TEMPERATURA DE DESTRUCCIÓN
1200-1500 600-700 600-1000
PUNTO DE FUSION (°F) 1900-2400 1900-2400 3000-3100
Debido a características de expansión y la forma particular en la que la arcilla
retiene el agua, el tiempo optimo de mezclado varia de arcilla a arcilla y entre
mezclas.
Como afecta la arcilla en las propiedades de arena: Compactabilidad: la compactabilidad continua aumentando a medida
que la humedad aumenta, en las bentonitas sódicas tiende a reducirse a
medida que aumenta la humedad debido a la expansión de su
estructura.
Resistencia en verde: la resistencia en verde disminuye a medida que la
humedad aumenta, dependiendo de la arcilla que se utilice sera la
resistencia en verde obtenida.
SELECCIÓN DE ARCILLA PARA USO EN LA FUNDICIÓN:
MAYOR RESISTENCIA EN VERDE (COMPRESIÓN)
BENTONITA CALCICA
BENTONITA SODICA ARCILLA REFRACTARIA
MAYOR RESISTENCIA A LA TRACCIÓN
BENTONITA SODICA BENTONITA CALCICA
ARCILLA REFRACTARIA
UTILIZAR MENOR CANTIDAD DE AGUA
BENTONITA CALCICA
BENTONITA SODICA ARCILLA REFRACTARIA
MAYOR PERMEABILIDAD
BENTONITA SODICA BENTONITA CALCICA
ARCILLA REFRACTARIA
MAYOR RESISTENCIA EN SECO
BENTONITA SODICA ARCILLA REFRACTARIA
BENTONITA CALCICA
MAYOR RESISTENCIA EN CALIENTE
BENTONITA SODICA ARCILLA REFRACTARIA
BENTONITA CALCICA
MAYOR DISGREGABILIDAD A ALTA TEMPERATURA
BENTONITA CALCICA
BENTONITA SODICA ARCILLA REFRACTARIA
MAYOR DISGREGABIIDAD EN FRIO
BENTONITA SODICA BENTONITA CALCICA
ARCILLA REFRACTARIA
MAYOR FLUIDEZ BENTONITA CALCICA
BENTONITA SODICA ARCILLA REFRACTARIA
MAYOR DEFORMACIÓN
BENTONITA SODICA ARCILLA REFRCTARIA
BENTONITA CALCICA
AGLOMERANTE MAS REFRACTARIO
ARCILLA REFRACTARIA
BENTONITA SODICA BENTONITA CALCICA
SELECCIÓN DE ARCILLA PARA REDUCIR DEFECTOS:
MENOS DARTAS BENTONITA SODICA BENTONITA CALCICA
ARCILLA REFRACTARIA
MENOS SOPLADO Y POROS
BENTONITA CALCICA
BENTONITA SODICA ARCILLA REFRACTARIA
MENOS EROSION Y ARRASTRE DE ARENA
BENTONITA SODICA ARCILLA REFRACTARIA
BENTONITA CALCICA
MENOS COLA DE RATA
ARCILLA REFRACTARIA
BENTONITA SODICA BENTONITA CALCICA
MENOS PIEZAS AGRIETADAS
BENTONITA CALCICA
ARCILA REFRACTARIA
BENTONITA SODICA
Efecto de porcentaje de agua:Cuando el agua ebulle, lo hace con un incremento de volumen del orden de
1600 veces. Esta gran cantidad de gas generado tiene que encontrar una
salida adecuada atravez de los granos de arena. Sin embargo, conforme va
atravesando a la arena, esta agua se va enfriando y condensándose en una
zona de mayor humedad, el efecto de la cantidad de agua en la permeabilidad
es grande, ya que puede bloquear la salida de otros tipos de gas que se
generan por la calcinación de materiales orgánicos añadidos al molde.
La cantidad de agua tiene un efecto grande en la resistencia en caliente como
se ve en la siguiente grafica:
597 P.S.I.
497 P.S.I.
398 P.S.I..
298 P.S.I.
199 P.S.I.
99 P.S.I.
0 0 1 2 3 4 5 6
CONTENIDO INICIAL DE AGUA
RESISTENCIA
EN
CALIENTE
Por otro lado, la influencia del agua en la expansión y deformación a altas
temperaturas es bastante poca.
Sin embargo, la cantidad de agua puede tener influencia en la aparición de
dartas y costra, el mecanismo de influencia es el siguiente:
Cuando hay grandes concentraciones locales de agua, o cuando la mezcla
lleva una cantidad de agua desproporcionada y si además, por otras
circunstancias la permeabilidad es baja, el vapor de agua, al generarse en
grandes cantidades y no encontrar salida por la inadecuada permeabilidad,
puede atravesar las primeras capas de arcilla y arena, pero al serle imposible
continuar saliendo al exterior, revierte su dirección y entonces, empuja la parte
del molde seco sobre la superficie del metal introduciéndole en él y generando
una costra o una darta.
Negros de fundición
Son utilizados para compensar la dilatación de la arena, así como para crear
una capa aislante entre el metal y la arena, y así poder evitar el arena se haría
al molde, lo cual dificultaría su separación y su posterior pulimentado.
Estos se clasifican de la siguiente forma:
Negro mineral: es polvo de hulla y se agrega al arena en porciones
llevarían del 3 al 6%
Negro de estufa: está constituido por grafito, carbón de leña y arcilla, se
utiliza en los moldes de arena seca
Grafito: se utiliza para proteger a los moldes en verde aplicando se
piense como sobre la calidad del molde
Corazones o Machos.
Las arenas empleadas para hacer los machos destinada a la colada de piezas
huecas suelen tener un contenido alto de sílice con granos de forma y tamaños
regulares y que se emplea con aglutinantes especiales.
Cuando una pieza de fundición debe tener una cavidad o hueco, tal y como un
agujero para un tornillo, debe introducirse al molde alguna forma de corazón.
Un corazón se define algunas veces como cualquier proyección de arena
dentro del molde. Esta proyección puede quedar formada por el molde mismo o
puede ser hecha en otra parte e introducido en el molde después de extraer el
modelo. Se pueden formar superficies tanto internas como externas en una
pieza de fundición mediante los corazones.
Los corazones se clasifican como corazones de arena verde y corazones de
arena seca. Los de arena verde son aquellos formados por el mismo modelo y
se hacen en la misma arena del molde.
Los corazones de arena seca son los que se forman separadamente para
insertarse después que se ha retirado el modelo y antes de cerrar el molde.
En general deben usarse los corazones de arena verde, siempre que sea
posible para mantener el costo de los modelos y de las piezas de fundición en
un mínimo. Naturalmente los corazones separados aumentan el costo de
producción.
Un corazón debe ser:
Permeable: capacidad de la arena para permitir que escapen los
vapores.
Refractario: capacidad de soportar altas temperaturas.
Facilidad de colapso: habilidad para disminuir el tamaño conforme se
enfría el colado y se contrae.
Resistencia en seco: para que no se erosione y sea arrastrado o cambie
de tamaño cuando esté rodeado del metal fundido.
Friabilidad: facilidad para desmoronarse y eliminarse con facilidad del
colado.
Debe tener una tendencia mínima a generar gas.
ANALISIS DE ARENA
OBJETIVO: Tomar contacto y conocimiento de los equipos y procedimientos
para realizar el análisis de las ARENAS DE MOLDEO que permitan conocer y
evaluar su influencia en la FUNDICION.
PRINCIPALES ANALISIS DE ARENAS DE MOLDEO. Porcentaje de humedad
Proporción Sílice – Bentonita
Índice de Finura
Tamaño de grano
MATERIALES Y EQUIPOS.3.1.- Materiales: Arena de moldeo y agua
3.2.- Equipos: Balanza
Secador
Agitador
Sifón
Juego de Tamices
PROCEDIMIENTO:
1) Verificación del % de humedad (6% teórico): De la muestra total
separamos 20 gr. Y lo llevamos al secador por espacio de 12 a 15
minutos. Luego volvemos a pesar y por diferencia calculamos nuestro %
de humedad real.
2) Calculo de % de bentonita y %de sílice: Tomamos una muestra de
50gr al cual se le realizara un proceso de lavado mediante un eluteador
el proceso sera de la siguiente manera:
Se le
agrega 700cc de agua y se agita en el eluteador durante 3 minutos,
luego se le agrega 200cc mas y se deja decantar por lapso de 1 minuto.
Con el sifón se desechara el agua y la bentonita.
Repetir el mismo proceso hasta obtener sílice pura.
Cuando se haya obtenido sílice pura se llevara al secador , volvemos a
pesar y por diferencia obtenemos el peso de bentonita ya que sabemos
el peso de agua que se evaporo.
3) Índice de Finura: Se lleva la sílice obtenida al juego de tamices y se
procede a tamizar calculando el peso de sílice retenida en cada tamiz y
asi poder calcular el I.F. mediante la siguiente expresión:
Pi = Porcentaje en peso en función de la muestra total Ki = Constante de cada malla
ENSAYOS DE ARENA
Equipos a Utilizar:
BalanzaBalanza
ApisonadorApisonador
Molde para probetas StandardMolde para probetas Standard
PermeámetroPermeámetro
Aparato para ensayos de resistenciaAparato para ensayos de resistencia
Procedimiento:
ARENAS EN VERDE
Se toma una muestra seca de ( sílice + bentonita) determinando el % de Bentonita constante para la sección el cual debe de variar de acuerdo al tipo de arena a estudiar ( arena grasa, semigrasa, magra o silícea)
Se determina los porcentajes de humedad para grupo calculándose la cantidad de agua con la siguiente Formula
Peso de Agua = 500x % de humedad = gramos de agua 100 - % de humedad
Se procede a verificar el % humedad real tomando 20 gr., de la mezcla y lleva a la lámpara de secado aproximadamente 12 a 15 minutos, luego se procede a pesar nuevamente y por diferencia de pesos obtenemos el % de humedad real.
Se procede a tomar el peso correspondiente entre 145 a 160 gr. de la mezcla para obtener la probeta de 50mm de diámetro por 50 mm de altura en el apisonador con tres golpes (se deben obtener 3 probetas), no se permite tolerancias en la altura de la probeta.
En la primera probeta se mide la permeabilidad en el permeámetro tomando el tiempo que se demora en pasar 2000cc de aire a través de la probeta, tener en cuenta la posición de la aguja para arenas en verde o arenas para almas.
Una vez medida la permeabilidad se procede a extraer la probeta en el extractor.
Inmediatamente se coloca en el equipo de resistencia, en el cual se ha colocado las mordazas para medir la Resistencia a la Compresión, se realiza la medición correspondiente
Con la segunda probeta obtenida se procede directamente a medir la Resistencia al corte
A la tercera probeta en el apisonador se le da 3 golpes adicionales tomando la variación de altura por cada golpe.
Medir la permeabilidad después de los 6 golpes
Procedimiento:
ARENAS PARA ALMAS
Se toma una muestra seca de 900 gramos , se varia el % de
Bentonita por cada sección y el % de humedad constante en
concordancia con porcentajes de arenas para almas
Se procede a tomar las muestras semejante a las indicaciones
anteriores obteniéndose 5 probetas
Se procede a un proceso de secado
Luego se procede a medir la Resistencia a la compresión, resistencia
a la Tracción, resistencia a la flexión , resistencia al corte
CALCULOS Y RESULTADOS
ANALISIS DE ARENA1. Indique usted la composición de la muestra analizada.
Después de realizar el análisis a la muestra de 50 gr de arena, y luego de separar la sílice de la bentonita se obtuvo:
Masa de Arcilla (bentonita) = 9.6 gr. Masa de sílice = 37.5 gr.Masa de agua= 2.9 gr.Masa total= 50 gr.
Hallando los porcentajes en peso:
%Por lo tanto se tendrá
2. En concordancia con los datos obtenidos en el laboratorio, con respecto a la humedad indique
Si esta dentro del rango que se pide para arenas en verde
Los valores adecuados para la humedad en una muestra en verde oscilan entre 2% y
8%, según esto, el valor obtenido de la arena analizada (5.8%), está contenido en ese
rango.
Si deseamos utilizar esta arena para almas cual seria el procedimiento
Para poder usar una arena para almas se debe incrementar el porcentaje de arcilla de la arena, ya que una arena para almas necesita de una mayor concentración de aglutinante.
Al preparar arena aglutinada hay que prestar atención a que esta sea amasada por lo menos durante 15 a 20 minutos. Después la arena así amasada debe quedar en reposo por lo menos durante 12 horas, aunque sería mejor durante 24 horas antes de usarla, col el objeto de que el aceite y las sustancias solubles, agua y aceite, que forman el aglutinante, tengan tiempo de esparcirse bien por la arena y se estabilicen. La arena aglutinada se guarda en un depósito bien cerrado para evitar que esté en contacto con el aire.
Para una buena permeabilidad para arena para machos se le debe agregar y mezclar aserrín teniendo en cuenta que esté bien hinchado. Al macerarlo con agua este se hincha y ocupa mayor espacio en la arena, mientras que el aserrín seco ocupa un espacio mucho menor. El aserrín hinchado se encoge al secar el macho, dejando huecos, lo cual permite la buena permeabilidad. También se prefiere el uso de aserrín en la preparación del aislador, probablemente por que tiene la ventaja de que al cortar la pieza se forma una capa de protección de gas entre molde y la colada, obteniéndose superficies lisas.
3. Según el contenido de aglutinante clasificar que tipo de arena es la analizada (justifique su respuesta).
Según la tabla 1, se observa que la arena analizada es grasa, debido a que el contenido de arcilla es mayor al 18%. Este tipo de arena tiene una elevada cohesión pero poca permeabilidad, por lo que es necesario someterla a estufas para lograr aumentar su permeabilidad. Estas arenas se usan para colar grandes piezas, en las que se necesita gran resistencia mecánica.
Tipo de Arena Porcentaje de ArcillaGrasa Mas de 18%Semigrasa 8 al 18%Magra 5 al 8 %Silicea Menos de 5%
Tabla 1: Clasificación de la arena según el porcentaje de arcilla
4. Cual es el tamaño promedio de grano de la muestra analizada (justifique su respuesta).
Según la American Foundry Society AFS se toma una muestra de 50 gr de arena. Luego del proceso de lavado y de haber usado el agitador para tener una muestra húmeda de sílice pura, obtuvimos un peso de 40,4 gr. Luego del secado, el peso fue de 37,5 gr. Considerando las tablas para determinar el índice de finura de la AFS
# de Tamiz Abertura de la malla (mm) K Wi (gr) Pi (%) PixKi2 3.15 1 0.0 0 04 1.60 5 0.2 0.53 2.676 1.00 9 0.7 1.87 16.8010 0.63 21 4.5 12.00 252.0016 0.40 32 9.3 24.80 793.6020 0.32 35 12.0 32.00 1120.0030 0.20 56 4.3 11.47 642.1340 0.16 68 0.1 0.27 18.1360 0.10 117 4.6 12.27 1435.2080 0.09 150 1.4 3.73 560.00
100 0.06 164 0.4 1.07 174.93FONDO 275 0 0 0
Total 37.5 100 5015.47Tabla 2: Análisis granulométrico de la arena
De acuerdo a nuestros cálculos, para un IF = 50,15 nuestro tamaño de grano debe encontrarse aproximadamente entre 0.25 - 0.5 mm (según la tabla 1). Estableciendo la granulometría de acuerdo a las curvas (gráficos 1, 2 y 3) se confirma que, aproximadamente el mayor porcentaje de peso acumulado se encuentra en el tamiz 20, siendo su abertura de malla 0.32 mm, valor que pertenece al rango antes mencionado.
ARENAINDICE IF
(A.F.S)TAMAÑO DE
GRANOSMuy gruesa < 18 1 - 2 mm
Gruesa 18 - 35 0.5 - 1 mmMedia 35 - 60 0.25 - 0.5 mmFina 60 - 150 0.10 - 0.25 mm
Finísima > 150 < 0.1Tabla 3: Tamaño promedio de grano según el índice de finura
Gráfico 1: Análisis granulométrico
Gráfico 2: Curva de distribución (frecuencia)
Gráfico 3: Curva de distribución acumulada (frecuencia acumulada)
5. Indicar como varia el IF de la arena en verde y la muestra seca (justifique su respuesta).
Debido a la relación que existe entre los Ki, Pi y el peso total de la muestra no nos interesa como varia el tipo de arena sea en verde o seca, porque en nuestros cálculos en análisis de arena en verde el peso total se elimina y queda como en consecuencia la misma relación como si se estuviera calculando en muestra seca debido a ello el IF no varía.
6. Teniendo en cuenta la distribución de los granos en la malla indique usted como influye en la cohesión de la arena (justifique su respuesta).
La forma de los granos influye sobre la cohesión. En igualdad de otras condiciones, una arena de granos angulosos presenta una cohesión menor que una arena de granos redondos, por que en esta última las superficies de contacto son mayores.
En igualdad de forma, la cohesión queda influida por el tamaño de los granos. En general las cohesiones más elevadas se obtiene con arenas de granos muy gruesos o muy finos y, por lo tanto, el revestimiento de arcilla de los granos resultará de mayor espesor, confiriéndole con ello mayor cohesión; en el caso de la arena fina se tendrá una capa ligera de arcilla en torno a los granos, pero, en compensación, serán mucho más numerosas las superficies de contacto.
7. Un método para determinar el porcentaje de bentonita en la arena es el azul de metileno, indique usted si puede determinar solo el porcentaje o define además si la bentonita es sódica o cálcica.
Debido a que el ensayo de azul de metileno nos proporciona el porcentaje de bentonita en la muestra, quiere decir la cantidad de arcilla activa que es la parte de las partículas menores de 22 micrones que son capaces de desarrollar capacidad aglutinante en presencia de agua no necesaria, pero no define que tipo de bentonita es: La bentonita sodica que predominantemente contiene iones Na+, y la bentonita calcica, que principalmente consiste de iones Ca++.A pesar de las grandes diferencias entre los dos tipos de bentonitas, uno no puede ser preferido sobre el otro sin tomar en consideración el tipo de trabajo en concreto en cuestión (tipo de vaciado). Nadie escogerá una bentonita calcica para el vaciado de acero, donde el peso térmico de la arena de moldeares muy grande, o usar una bentonita sodica pura para el vaciado de aluminio, que por otra parte, debe agregarse en grandes cantidades para la producción de fundiciones de gruesas tapias fundidas para vaciarse de hierro.Normalmente es recomendable usar ambas bentonitas en una proporción que correspondan a las condiciones de producción, para que por ambas se obtenga la estabilidad correcta del molde, así como también la consistencia correcta de la arena, resistencia en verde y resistencia en seco, mayor colapsibilidad en las sacudidas.
8. Indique usted porque en la prueba de AFS (la realizada en el laboratorio) los porcentajes de aglutinante serian mayores que con la prueba de azul de metileno.
A diferencia de la prueba del azul de metileno, la prueba AFS de la arcilla es una prueba de laboratorio que indica el porcentaje total de material fino en la arena. Esto incluye materiales menores a 20 micrones y/o materiales que sedimentan en el agua a una velocidad menor a una pulgada/minuto. Estos materiales incluyen la arcilla disponible, arcilla muerta, granos finos de arena, ceniza, coque, , carbón y celulosa. Los porcentajes AFS de arcilla siempre serán más altos cuando se comparan a los del azul de metileno, debido a que contiene ambas bentonitas, disponible y térmicamente destruida, junto con cualquier otra partícula extremadamente fina. Rastreando la diferencia entre los porcentajes de la arcilla AFS y los de azul de metileno, una fundición puede determinar si el contenido de material fino se está incrementando. Esta diferencia puede ser grandemente afectada por las adiciones de arena nueva o la dilución de arena de corazones. Generalmente, conforme el porcentaje de arcilla AFS se incrementa mientras el nivel de arcilla de azul de metileno permanece constante o disminuye, se requiere más agua para mantener una compactibilidad constante debido a un incremento en la superficie de contacto del sistema.
9. Comparando los datos de las diferentes secciones se puede concluir que 2 arenas con el mismo Índice de Finura, pueden tener diferente granulometría? ( explique su respuesta)
El análisis granulométrico nada indica acerca de la repartición de los granos en cada grupo contenido en un solo tamiz. Por consiguiente, dos arenas de igual granulometría pueden, en realidad, estar constituidas por granos de tamaños distintos.Esta imprecisión queda aumentada cuando los datos granulométricos están condensados en el índice de grosor, hasta el punto de que puede haber dos arenas con índices de grosor iguales (o casi iguales) y características de permeabilidad muy diferentes.
Por ejemplo, si tenemos 2 tipos de arenas con el mismo índice de finura una de las arenas por su composición granulométrica puede resultar más permeable que la otra, es decir una de las arenas tiene una distribución de granos mucho más favorable que la otra.
La permeabilidad de una arena es tanto mayor cuanto más uniforme sea el tamaño de sus granos, cualidad que se pone de manifiesto cuando la mayor parte de los granos quedan contenidos en tamices adyacentes.
Sin embargo, el índice de finura mantiene su importancia porque sirve para juzgar una arena en relación con las exigencias de la superficie de la pieza que habrá que fundir.
10. Indique usted entre las diferentes arenas analizadas cual es la que tiene la distribución de granos mas favorable (justifique su respuesta).
La arena con distribución de granos más favorable es la arena que presenta mayor cantidad de granos atrapados en las mallas es decir un análisis granulométrico más uniforme. La permeabilidad de la arena es tanto mayor cuanto más uniforme sea el tamaño de sus granos, cualidad que se pone de manifiesto cuando la mayor parte de los granos quedan contenidos en pocos tamices adyacentes; es decir, su distribución de granos sea más uniforme. Generalmente para afirmar el índice de grosor suele añadirse la premisa de que indeterminado porcentaje de granos esté concentrado en tres tamices adyacentes.
11. Indique usted los casos por los que se modificarían las arenas
Los casos más importantes de modificación de las arenas se presentan cuando se procede a la mezcla de arenas de tipo diverso (sea para variar la distribución del grano, sea para rebajar o reforzar la arena) o bien a la adición de aglomerante.En el primer caso se trabajan arenas naturales y en el segundo arenas sintéticas o aglomeradas que se obtienen partiendo de arenas silíceas lo más pura posibles, a las cuales se añaden, en diversos porcentajes, substancias aglutinantes.
ENSAYOS DE ARENA
Arenas en Verde
1. Manteniendo la humedad constante, variando la bentonita y viceversa determine la composición óptima que resista
Resistencia a la compresión Resistencia al corte
De los datos:Manteniendo constante la humedad (3, 4, 5, 6, 7, 8%) y variando el porcentaje de bentonita (3, 4, 5%).
HUMEDAD%
%BENTONITA RES-COM RES-CORT
Teórica Real Kp/cm2 p/cm2
3 2.5 3 0.4 64.3
3 2.5 4 0.6 57.143 2.5 5 0.95 42.84 4.5 3 0.37 28.64 4.5 4 0.37 42.864 4.5 5 0.85 57.15 5 3 0.26 42.95 5 4 0.55 42.865 5 5 0.5 14.36 5.5 3 0.3 28.66 5.5 4 0.3 45.716 5.5 5 0.4 28.67 6.5 3 0.27 28.67 6.5 4 0.35 28.577 6.5 5 0.45 57.18 7 3 0.27 28.68 7 4 0.4 35.718 7 5 0.35 28.6
Tabla 4: Valores de resistencia a la compresión y al corte manteniendo la humedad constante
Según la tabla anterior, la arena que presenta mejor resistencia a la compresión es la que posee 3% de humedad y 5% de bentonita con una resistencia a la compresión de 0.95 kp/cm2. La arena que presenta mejor resistencia al corte es la que posee 3% de humedad y 4% de bentonita con una resistencia de 57.14 p/cm2.
2. Como varia la plasticidad (resistencia al corte) variando los componentes de la arena.
Manteniendo constante la bentonita (3, 4, 5%) y variando la humedad (3, 4, 5, 6, 7, 8%).
HUMEDAD%
%BENTONITA RES-CORT
Teórica Real p/cm2
3 2.5 3 64.34 4.5 3 28.65 5 3 42.96 5.5 3 28.67 6.5 3 28.68 7 3 28.63 2.5 4 57.144 4.5 4 42.865 5 4 42.866 5.5 4 45.717 6.5 4 28.578 7 4 35.713 2.5 5 42.84 4.5 5 57.1
5 5 5 14.36 5.5 5 28.67 6.5 5 57.18 7 5 28.6
Tabla 5: Valores de resistencia al corte manteniendo la bentonita constante
Gráfico 4: Variación de la resistencia al corte según el % de humedad para una arena de 3% de
bentonita
Gráfico 5: Variación de la resistencia al corte según el % de humedad para una arena de 4% de bentonita
Gráfico 6: Variación de la resistencia al corte según el % de humedad para una arena de 5% de bentonita
3. Cuales serian los rangos óptimos de variación de la humedad y el aglutinante para tener una buena permeabilidad.
La permeabilidad queda establecida en función del volumen de los huecos coexistentes en una aglomeración de arena. En consecuencia, depende del tamaño, forma y distribución de los granos, y es siempre mayor en una arena de granos gruesos que en la de granos finos. Una arena de granos muy uniformes es más permeable que otra que en igualdad de índice de grosor tenga los granos de tamaños menos uniformes.
HUMEDAD% PERMEABILIDAD
Teórica Tiempo (s) Nro.3 40.24 75.94 42.12 72.55 42.18 72.46 39.32 77.77 39.32 77.78 42 72.8
Tabla 6: Valores de permeabilidad en una arena con 3% de bentonita
Gráfico 7: Variación de la Permeabilidad según el % de humedad para una arena de 3% de bentonita
HUMEDAD% PERMEABILIDAD Teórica Tiempo (s) Nro.
3 40.22 75.984 41.35 73.905 40.75 74.996 41.04 74.467 42.95 71.158 41.58 73.49
Tabla 7: Valores de permeabilidad en una arena con 4% de bentonita
Gráfico 8: Variación de la Permeabilidad según el % de humedad para una arena de 4% de bentonita
HUMEDAD% PERMEABILIDAD Teorica Tiempo (s) Nro.
3 0.642 79.3294 0.616 82.6785 0.643 79.2066 0.683 74.5677 0.687 74.1338 0.69 73.811
Tabla 8: Valores de permeabilidad en una arena con 4% de bentonita
Gráfico 9: Variación de la Permeabilidad según el % de humedad para una arena de 5% de
bentonita
4. Considerando la clasificación de función del % de aglutinante indique usted como varían las propiedades.
La permeabilidad de una arena determinada aumenta con la humedad hasta cierto límite (4 a 6%), después del cual disminuye.
5. Indique usted como varia el punto de templado en relación a los % de humedad y de bentonita
La variación de la cantidad total de bentonita y agua puede alterar la resistencia a la compresión de la arena verde, la permeabilidad y otras propiedades físicas. Generalmente, un porcentaje más alto de bentonita, hasta 12%, traerá como resultado aumento en la resistencia. La cantidad de agua puede tener un gran efecto en las resistencias a la compresión en verde, en seco y en caliente. Generalmente, incrementando el agua se incrementa la resistencia a la compresión en verde hasta un punto, referido como el punto de templado. Incrementos adicionales de agua traerán como resultado un decremento en la resistencia a la compresión en verde. Ambas resistencias a la compresión, en seco y en caliente, muestran un incremento en la resistencia conforme se incrementa la humedad dentro de un rango normal.
6. Indique usted como influye el % de bentonita y el % de humedad en la compactación de la arena y en la permeabilidad
En el grafico observamos que a mayor porcentaje de bentonita la compactibilidad aumenta siempre y cuando tenga una proporción adecuada de humedad pero al perder humedad debido al medio ambiente y secarse vemos en el grafico que su permeabilidad disminuye. Un ejemplo se podría decir con baja humedad y poca bentonita obtenemos una arena con mucha permeabilidad que al secarse de puede desboronar y agrietar. Estas propiedades se deben manejar correspondientes a la composición en valores intermedios y de acuerdo a la aplicación (según el grafico debe fluctuar la humedad entre 4%-6%).En nuestro laboratorio obtuvimos los siguientes datos:La compactación de la arena está reflejada en la altura luego del 6to golpe.
%HumedadAltura 6to
Golpe Permeabilidad
3 75.944 49.2 72.555 50 72.456 49.5 77.727 49.5 77.728 49.2 72.76
Tabla : Grado de compactación luego del 6to golpe y su respectiva permeabilidad para una arena con 3% de bentonita
%HumedadAltura 6to
Golpe Permeabilidad3 49 62.364 49 62.365 48.75 62.686 48.5 63.017 48.75 62.688 48.5 63.01
Tabla : Grado de compactación luego del 6to golpe y su respectiva permeabilidad para una arena con 4% de bentonita
%HumedadAltura 6to
Golpe Permeabilidad3 48.5 73.5974 48.5 78.8385 48.5 74.5676 48.5 73.9187 48.8 75.1178 48.9 72.036
Tabla : Grado de compactación luego del 6to golpe y su respectiva permeabilidad para una arena con 5% de bentonita
7. Teniendo en cuenta el cuadro Nro. 4 , clasificar el tipo de bentonita utilizado en clase, así como las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de bentonitas.
Arena para almasMuestra: 900 gr. 10% de Humedad constante Bentonita variable: 8%, 9%, 10%A nuestro grupo (Nº 2) nos tocó el 9%, por lo tanto
Masa de bentonita = 81 gr.Masa de sílice = 819 gr.Humedad = 100 gr. de agua.
Resultados de los ensayos: Ensayo de corte: 510 p/cm2
Ensayo de compresión: 8.84 kp/cm2
Ensayo de tracción: 160 p/cm2
Ensayo de flexión: 0.64 kp/cm2
En nuestro caso estamos que trabajamos con bentonita sódica
Cuadro Nro. 4
Características de la Arena 100%bentonita
sodica
100%bentonita Calcica
50 – 50Na - Ca
Resistencia a la compresión en verde
11,8 psi 14,3 psi 12,6 psi
Deformación verde a resistencia máxima
1.3% 0,95% 1,1%
Resistencia a la tensión en húmedo 0,466 N/cm2 0,071 N/cm2 0,346 /cm2
Resistencia a la compresión en caliente
575 psi 110 psi 320 psi
El gran poder de absorción de la bentonita cálcica se aprovecha para limpieza de líquidos y catalizadores en la industria del petróleo. También como agente de peletización y dispersión. Tratada con ácido, se usa como decolorante y filtrante de aceites. La bentonita magnesiana o tierra de Fuller decoloran los aceites sin este tratamiento.
La bentonita sódica en suspensión aumenta la viscosidad de los líquidos y es muy importante para la preparación de lodos de perforación. Al disecarse la bentonita, cementa los granos sueltos, característica muy útil en la preparación de moldes de fundición metalúrgica. También se usa en el proceso de intercambio iónico, como clarificante en jugos de frutas y otros; tales bentonitas llevan el nombre de atapulgita y se caracteriza por la presencia de montmorillonita entre 80 y 90 %.
CONCLUSIONES
Para una mayor compactación, el tamaño del grano debe ser menor, siendo su
índice de finura (IF) mayor. Para nuestro caso el IF salió 50.15 lo que cataloga
la arena como media.
Una arena de granos muy uniformes es más permeable que otra que en
igualdad de índice de grosor tenga los granos de tamaños menos
uniformes.
La permeabilidad disminuye al aumenta la humedad, debido a la
cohesión de la arena por efecto del agua que disminuye la porosidad en
esta.
Se obtiene una mejor resistencia al corte, a la compresión, a la
permeabilidad, con un porcentaje entre 3% y 4% de humedad.
RECOMENDACIONES
Una vez hecha una probeta con en la cual sea practicado el ensayo ya sea de
corte o compresión, no debe ser reutilizado el material para fabricar una nueva
probeta porque esta ya perdió sus propiedades iniciálales y ahora presenta
tenciones.
Se debe procurar realizar la experiencia en el menor tiempo para evitar que la
humedad.
Se debe de mezclar bien con el fin de homogenizar la mezcla sílice, bentonita y
agua, así lograr distribuir sus propiedades físicas y obtener la humedad deseada.
BIBLIOGRAFIA
Tecnología de la Fundición Autor: Edoardo Capello
Procesos de Manufactura Moderna Autor: Mikell P. Groover
Revista del Instituto de Investigación FIGMMG UNMSM: Influencia del Molde y
Tratamiento Térmico en las propiedades del Bronce Aluminio
http://www.scielo.org.pe/scielo.php?pid=S1561- 08882004000200004&script=sci_arttext
http://www.quiminet.com.mx/ar5/ar_%25FDf%25D44%2500%2524W%25CC.htm http://www.geocities.com/usmindustrial/Fundicion.htm http://www.lablaa.org/blaavirtual/ciencias/sena/metalurgia/metalurgiaII/1.pdf http://foros.emagister.com/tema-propiedades_arena_moldeo-13752-318329-1.htm http://www.revistaingenieria.uda.cl/Publicaciones/200005.pdf
