propiedades de las arenas de moldeo

informe para fundición

1. UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARIA
DEPARTAMENTO DE INGE NIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES

INFORME #1. PROPIEDADES DE LAS ARENAS DE MOLDEO









PRESENTADO POR: YENNI NAYID SANTAMARIA BARAJAS
ROL: ESTUDIANTE INTERCAMBIO UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

PRESENTADO A: PROFESOR: P. DURAND B. AUXILIARES
FUNDICIÓN S1- 2016


UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTAMARÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE MATERIALES


VALPARAISO ABRIL 2016

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INFORME #1. PROPIEDADES ARENAS DE MOLDEO OBJETIVO GENERAL
OBJETIVO PRINCIPAL
Determinar las principales propiedades que caracterizan las arenas de moldeo, con el fin de
observar claramente su respectiva influencia en los procesos de fundición de metales utilizados en
la industria.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Analizar la influencia del tamaño estequiométrico de las arenas de moldeo y de su
correspondiente forma en propiedades como la permeabilidad, porosidad, y resistencia en verde a
la hora de fabricar un molde.
Calcular la densidad aparente y el porcentaje de humedad de las muestras de arena, con el fin
de caracterizar la arena y predecir valores óptimos de estas.

CARACTERISTICAS DE LAS ARENAS DE MOLDEO
La fundición es un proceso metalúrgico utilizado desde la antigüedad para producir tipos de piezas desde
un tamaño de dimensiones y formas variables y complejas. Por este motivo se hace necesario el estudio
de las arenas de moldeo con las cuales se va a fabricar el molde que conllevan a un desarrollo efectivo
de piezas fundidas con excelentes propiedades, que garanticen un buen llenado del molde y un eficiente
acabado superficial. Cabe resaltar que aunque se han ingeniado nuevas formas de producción de moldes
como moldes de tipo permanente, de baja presión, de alta presión, en cera, o centrífugos, el moldeo en
arena sigue siendo fundamental para la industria de la fundición.
Dichas características estudiadas sobre la arena son: granulometría de la arena, forma de los granos de
arena, porcentaje de humedad, densidad aparente y contenido de arcilla.
La granulometría constituye una de las principales propiedades físicas de las arenas de moldeo que
impacta directamente sobre la resistencia y el producto final fundido; Es importante tener en cuenta que
esta propiedad sumada a la forma de grano se encuentran clasificadas dentro de algunos parámetros
impuestos por el comité de la división de arenas AFS (índice de finura y distribución)

La humedad por su parte, es una característica muy importante a la hora de realizar el proceso de moldeo,
debido a que esta es la que se encarga de definir las variables que rigen el comportamiento del molde a
la hora de realizar la colada. Una humedad excesiva provoca en la pieza oxidación y mala evacuación de
gases, mientras que el otro extremo no alcanza la resistencia necesaria para que la arena se compacte.

La densidad aparente de una arena se relaciona con la compactabilidad de las arenas, e indica cuanto
es capaz la arena de reducir su nivel y está relacionada directamente con la humedad de la pieza. El
contenido de arcilla es fundamental a la hora de estudiar la resistencia en verde, es decir antes de la
colada, por ello a mayor contenido de arcilla, mayor capacidad tendrá la arena de formar un molde.

Se exigen las siguientes condiciones para las arenas:
Refractariedad: Resistir la acción de las temperaturas altas. Depende de la pureza en su composición
química
Resistencia, durabilidad o vitalidad: Debe conservar la reproducción del modelo y soportar los choques
térmicos sin fragmentarse (depende de la estructura de los granos)

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Permeabilidad: Permite la rápida evacuación del aire y los gases que se generan
durante la colada. La distribución granulométrica debe ser la adecuada.
Plasticidad: Capacidad de reproducir el modelo.
Disgregabilidad: Capacidad de disgregarse fácilmente la arena después de la colada para permitir la
extracción de la pieza

DATOS EXPERIMENTALES


Tamaño de la muestra: 50,5 [gramos]
Granos de arena una vez realizado el análisis granulométrico: 50,3 [gramos]


1.3 Análisis resultados
Tabla2. Clasificación de la arena de acuerdo a su finura según la AFS. Tomado de:
http://pedeca.es/revistaonline/fundipress/45/files/assets/common/downloads/page0043.pdf







1. GANULOMETRÍA
Procedimiento 1.1

1.2 Resultados
T abla1 . Datos para cálculo índices granulometría

Se colocaron los tamices uno encima del otro en orden creciente de abertura de malla una vez
estuvieron limpios.
Se introdujo una muestra de 50,4 gramos de arena en el tamiz #6
se disposa la serie de tamices en el Ro - tap durante 2 minutos

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CÁLCULO DEL ÍNDICE DE FINURAS:
Peso del producto = suma del peso del material retenido en cada tamiz por su correspondiente
multiplicador.
% de granos retenidos = peso del residuo de elementos superiores a 0.02 mm obtenidos después de la
extracción de la arcilla.
TAMIZ A.F.S Ab. MALLA
TAMIZ [in]
COEF.MULTI
PLICADOR
TAMIZ DIN Ab MALLA
TAMIZ [mm]
PESO RETENIDO
[g]
%PESO
RETENIDO
PRODUCTO
6 [+6] 3,36 3 1. 2 3 0 0 0
12 [+12 -6] 1,68 5 2. 4 1,5 0 10,09 50,45
20 [+20 -12] 0,84 10 3. 6 1 0 10.78 107,8
30 [+30 -20] 0,59 20 4. 10 0,6 0,6 14,04 280,8
40 [+40 -30] 0,42 30 5. 16 0,4 5,6 18,16 544.8
50 [+50 -40] 0,297 40 6. 20 0,3 17,5 16,34 653,6
70 [+70 -50] 0,21 50 7. 30 0,2 18,7 10,74 537
100 [+100 -70] 0,149 70 8. 40 0,15 7 7,54 527,8
140 [+140 -100] 0,105 100 9. 60 0,1 0,6 4.89 489
200 [+200 -140] 0,074 140 10. 80 0,075 0,2 2,34 327,6
270 [+270 -200] 0,053 200 11. 100 0,06 0,1 4,20 840
BANDEJA [270] 300 BANDEJA 0,41 0,82 246
TOTAL 50,3 99,6039604 4778,21782




El tipo de arena encontrada se caracteriza por ser una arena gruesa, cuya distribución se denota
con detalle en la gráfica1, mostrada a continuación:
Gráfica 1. Distribución del tamaño de grano en la arena.

Tal como se observa, la mayor distribución de granos se encuentra entre los tamices 30,40 y 50, por
lo que hay más homogeneidad en los granos de arena, se compacta más y produce moldes más
densos (menor permeabilidad).

La finura implica directamente sobre las propiedades físicas que se pueden desarrollar en las arenas
para fundición, tales como resistencia, permeabilidad y laborabilidad a una respectiva humedad.
También se ve influenciado en el costo de preparación de la arena debido a la gran cantidad de
?????????????????? =
���� ��?????? ��������
% ??????�??????��� �����??????��� > ( 0 , 02 )
=
4 778 , 218
99 , 603
= 47 , 97 %

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material aglutinante que se necesita para producir las propiedades deseadas,
sumado a ello puede influir en el acabado superficial en las piezas fundidas.
Las arenas “Finas” son muy frecuentemente empleadas para la fabricación de las arenas
prerevestidas (proceso cáscara), producciones de pequeñas piezas altamente aleadas, y cuando se
requieren piezas de poco espesor que necesitan de un gran acabado superficial

2. FORMA DE GRANOS
Según la norma AFS, existen cuatro clasificaciones de arenas según el tipo de grano:

Grafica #2. Tipos de granos de arenas

a)Redondeados b) angular c) subangular d) compuestos

El grano redondeado es propio de arenas para moldeo en cáscara. El grano angular es un modelo
ideal, mientras la forma de grano subangular ofrece mejor compactación, homogeneidad en los granos,
menor permeabilidad, cohesión y aptitud al moldeo intermedia entre grano angular y redondeado. A
pesar de que los granos redondeados presentan mayor espaciamiento entre sí, los angulares se
comprimen unos con otros con menor fuerza teniendo mayor permeabilidad.

En el laboratorio se observaron tres tipos de arena, una para Shell-molding, otra de fundición y una
última arena de rio. Teniéndose un grano redondo para la primera, mientras las dos restantes
presentaron un grano subangular.

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3. DENSIDAD APARENTE
3.1 procedimiento


3,2 Resultados
Tabla3. Datos para cálculo densidad aparente.
Arena: gramos 1509
Arena luego apisonar: gramos 1656,1
Tazón: cm 9,3*10,2*10,2 V= 967,572
Densidad aparente (1509+1656,1)/2*967,5 : 1,636

3,3 Análisis de resultados.
Los datos teóricos de densidad aparente para arenas de sílice se sitúan entre 1,5 y 1,6; de este
modo se puede decir que la arena es apta en el proceso de moldeo.


Llenar el tazón de arena y tomar su peso inicial
Apisonar la arena lo más posible y volver a llenar de arena
tomar nuevo peso y medir dimensiones del tazón


.

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4. HUMEDAD
4.1 Procedimiento


4.2 Resultados
Tabla 4. Datos de humedad
Arena 160 g
Después del secado 140,7g
Humedad ( 160-140)/140= 14,28%

4.3. Análisis de Resultados
El valor obtenido fue superior al 10% permitido, y debido a la influencia directa que tiene la humedad
con la calidad final del molde, se puede afirmar que este molde tendrá baja permeabilidad (cierre de
los intersticios dejados por la arena), en la cual se inhibe el paso de los gases de fusión, generando
moldes incompletos y un mal acabado superficial; la compactibilidad por su parte aumenta, de igual
manera que los procesos de conformabilidad del molde.

5. CONTENIDO DE ARCILLA
5.1 Resultados
Contenido inicial arena [g] 50
Contenido final arena [g] 49,3
Arcilla 1,42%

El moldeo e verde presenta un valor teórico de arcilla de 0,5; de este modo se puede observar una
diferencia muy notoria, comparada con el valor obtenido.

6. CUESTIONARIO

6.1 ¿Qué tipo de arena se utiliza en la formación de moldes en verde para fundición? Indique
composición química.
La arena en verde es aquella que no ha sido sometida a ningún proceso de secado están constituidas
generalmente por granos de cuarzo (SiO2) y se encuentran asociadas a algún tipo de arcilla y otros
minerales en pequeñas cantidades.
Cuarzo: Otorga refractariedad (capacidad de resistir temperaturas elevadas sin fundirse) compone
un 80-90% de la arena total
Arcilla: generalmente alúmina (Al2O3). Transmite su poder plástico y actúa como aglutinante de la

Tomar una muestra de arena de 160 g
Llevar la muestra al horno, durante 5 minutos a 110 ° C
Retirar la muestra del horno y pesarla

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arena, envolviendo los granos de cuarzo. Su composición es de 4-9%
Agua: el porcentaje de humedad es menor al 10%
Feldespato: Impureza presente compuesto por mica y otros fundentes, sumando un 4%

NOTA. En lugar de cuarzo, también existen otras tierras de moldeo: zirconita (ZrSiO4),
cromita, olivinita, cromita, magnetita y chamota (3Al2O3.SiO2)

6.2. Indique que tipo de grano se presenta en mayor proporción en arenas para moldeo. ¿Qué
influencias tiene la forma del grano? ¿Corresponde a lo visto experimentalmente? (no olvidar
comparación entre arenas de fundición y arena de río).

El grano más abundante es el grano subangular, el cual representa propiedades intermedias entre
los granos redondeados y los angulares. Los granos angulares se aplican para moldeo en cáscara,
produciendo unas piezas de un excelente acabado superficial (Shell molding); Por su lado los granos
angulares representan un grano “ideal”, mezclando las mejores propiedades para moldeo. De esta
manera, los granos angulares presentan características de ambos tipos, tienen buena resistencia a
la compresión, buena conformabilidad, permeabilidad y compactación. Los tipos de grano se
observan en la figura1.

6.3 ¿Qué ventajas se tienen a escala industrial conocer la densidad aparente de la arena y su
humedad? Además mencione los datos obtenidos en el laboratorio sobre estos factores que
caracterizan a las arenas de fundición, indicando además fuentes de errores en los
procedimientos realizados.
La densidad aparente me ofrece una referencia, de acuerdo con la permeabilidad y la porosidad de las
arenas que debe ser controlada, debido a que debe ser lo suficiente como para que permita la salida de
gases en la colada y no tan grande, para que el material tenga una resistencia adecuada.

4. ¿Cómo se puede prevenir el aumento de la humedad en las arenas?
Estudiar la humedad en las arenas es importante debido a que si la humedad aumenta en un amplio
rango las propiedades de la arena se ven desmejoradas el primer paso sería adicionar al proceso
un equipo medidor de humedad (BOMBA SPEEDY), con el fin de tener un control más preciso de la
humedad del sistema.
Un proceso muy común utilizado, consiste en el secado de arena, en el cual ésta se fabrica con
aglomerantes orgánicos en lugar de arcilla: el molde se cuece en una estufa grande a temperaturas
entre 204 C y 316 C. El cocido en una estufa refuerza el molde y endurece la superficie de la cavidad.
El molde de arena seca proporciona un mejor control dimensional en la fundición que los moldes de
arena verde. Sin embargo es más costoso y la velocidad de producción es más reducida debido al
tiempo de secado. Sus aplicaciones se limitan generalmente a fundiciones de tamaño medio y
grande y en velocidades de producción bajas.

5. ¿Qué efectos trae un elevado contenido de arcilla en la arena para su empleo en la
fundición Indique la cantidad de arcilla que presenta la muestra trabajada en el
laboratorio.
La presencia de arcilla en las arenas para fundición es sumamente importante, debido a que es la
que se encarga de proporcionarle a la arena cohesión y plasticidad, sin embargo grandes contenidos

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de arcilla con tamaños de partículas menores a 20 micras, desmejora las
arenas porque disminuyen la permeabilidad del molde, sinterizan a la superficie de la pieza fundida
y generan demanda de mayores porcentajes de agua para lograr niveles iguales en las propiedades.
6. Calcule el número de fineza AFS e indique en que categoría se encuentra la arena
estudiada.
El índice fue calculado anteriormente obteniéndose un grano AFS 47,9, lo cual pertenece a un grano
grueso.

7. Confeccione gráfica de análisis granulométrico para arena de moldeo. Comente.
La gráfica para nuestro análisis se dibujó previamente en el análisis granulométrico, por ello a modo
de comparación se muestran las siguientes curvas que se podrían presentar en una arena de
moldeo.


Grafica#3 análisis granulométrico arenas sedimentadas

Se puede observar que esta arena tiene una distribución
granulométrica abierta con alta diversidad en el tamaño de
grano, por lo cual no se compacta igual que una de curva cerrada
pero además tiene mayor permeabilidad, sumado a la presencia
de dos máximos lo cual no es muy buena para sus propiedades
ya que es muy inestable para poder ser utilizada en la fabricación
de moldes.


Grafica#4 análisis granulométrico monodistribución

Este tipo de distibución se presenta en arenas con una

distribución muy cerrada, tiene una mayor compactación,

además estas arenas pueden copiar sin el mayor esfuerzo la

forma del modelo, por tanto poseen la mayor plasticidad, es la

que requiere menos aglomerante pero su permeabilidad no es

buena, no es recomendable para moldeo, puesto que a pesar de
que pueda brindar un buen acabado superficial, no tendría las condiciones de humedad necesarias para la salida
eficaz de los gases.

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Grafica#5 análisis granulométrico variable
Arena de distribución granulométrica amplía, con
un mayor número de tamices, permitiendo deducir que
tiene menor capacidad de compactación al
compararla con las otras gráficas y con ello, tiene mayor
permeabilidad.


8. ¿Cuál es la distribución granulométrica ideal de la arena para procesos de fundición?
La distribución geométrica ideal es aquella, donde los granos están distribuidos tal como lo muestra
la gráfica#5 del punto anterior.
7. CONCLUSIONES
La muestra analizada en el laboratorio presenta un tamaño AFS de 47,97 lo cual representa un
grano de arena grueso, con una distribución concentrada en las mallas #50,70 y 100. Esto indica
que la muestra podría ser utilizada en moldeo de piezas gruesas, presenta menor consumo de
aglutinante, y además posee una alta permeabilidad.
La forma de grano de la arena es un factor importante de las arenas a través del cual es posible
analizar conceptos tales como la permeabilidad de las arenas para verificar la facilidad de
evacuación de los gases productos de la colada.: en este caso particular, los granos encontrados en
la arena según la AFS corresponden a granos subangulares, los cuales poseen buenas
características y proporcionan habilidades a la arena.
La humedad encontrada corresponde a un valor de 14,28%, lo cual representa un valor superior al
permitido. Este exceso le provoca a la pieza una pérdida de propiedades, debido a que la humedad
está directamente relacionado con la permeabilidad, la resistencia en verde y la conformabilidad,
Se podría pensar en eliminar el sobrante a través de un proceso de secado, para de este modo
obtener un mejor producto fundido, disminuyendo las imperfecciones.
Respecto al contenido de arcilla, se encontró un valor de 1,4%. Teniendo en cuenta que el valor
permitido para moldeo en verde es de 0,5% máx. Se establece que el contenido de arcilla no es
óptimo para la arena.

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8. BIBLIOGRAFÍA
[1] Aitor Loizaga y Ramón Suarez. (18 de 6 de 2008). Defectos metalurgicos generados por la presencia de gases
en la pieza fundida. investigacion quimica, 104, 111-119.
[2] Carlos Enrique Erazo rosales, Salvador Flores Claro, Angel Fernando Monroy Parada (octubre de 2005).
Determinación de la composición óptima de la arena de fundición empleada para fabricar piezas de hierro y
evaluación de sus propiedadeS. UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA “JOSÉ SIMEÓN CAÑAS” PROYECTO DE
GRADO
[3] Julio Cesar Castillo(Agosto 2011). Caracterización de las tierras de moldeo de la provincia de
Sullana. Universidad de Piura. PROYECTO DE GRADO
[4] Jorge E Graw .Ensayo de las arenas y tierras de moldeo. Tecnología de la fundición.
[5] Julio Alberto Aguilar. Fundición. Disponible en la web http://biblio3.url.edu.gt/Libros/2013/pro_ma/2.pdf