GUIA PRÁCTICA
ING.
MARISABEL MALDONDO P
MARZO
2012
|
introducción a
las propiedades de las arenas de
moldeo
Objetivo.
Adquirir habilidades y destrezas en la elaboración de ensayos de
las propiedades físico-mecánicas (humedad, permeabilidad, cohesión,
granulometría y dureza) de las arenas naturales y sintéticas.
Introducción
En la industria de la
fundición la preparación de moldes
requieren materiales que desarrollen propiedades tales como, cohesión, plasticidad y
resistencia para reproducir el modelo de la pieza; además deben ser
refractarios, de modo que soporten las elevadas temperaturas, permeables para
la evacuación de gases que se producen al vaciar el molde y ser disgregables
para que faciliten el desprendimiento de la arena de la superficie de la
pieza; los materiales que reúnen estas características son las llamadas arenas sintéticas.
Las arenas de fundición, se originan del granito compuesto de feldespato, cuarzo y
mica, el feldespato es un compuesto doble de aluminio y potasio, el silicato
de aluminio al hidratarse, se convierte en arcilla, lo que da origen a los
depósitos de arenas naturales.
Las arenas silíceas o sílices naturales, se clasifican de acuerdo con
su contenido de arcilla: arenas arcillosas naturales grasas, cuyo contenido
de arcilla es superior al 18%; arenas arcillosas naturales magras, cuyo
contenido de arcilla es del 5% al 8%; arenas silíceas cuyo contenido de
arcilla es inferior al 5%.
Diferentes tipos de
granos en las arenas de fundición:
·
Arenas de
grano redondo.
·
Arenas de
grano angular.
·
Arenas de
grano compuesto.
Aglutinantes usados en
la fundición
Aglutinantes
inorgánicos
Arcilla, Bentonita, Oxido de Fe, Cemento,
Silicato de sodio, Harina de sílice.
Aglutinantes
orgánicos:
Cereales, Almidones, Harina de maíz, Dextrina,
Harina de madera, Melaza, Alquitrán, Resinas, Aceites y Carbón vegetal.
Los aglutinantes comerciales ocultan
su verdadera condición por que con frecuencia son mezclas en proporciones
diversas y forman una gama de productos difícilmente controlables.
La función de los aglutinantes
inorgánicos y orgánicos, es recubrir la superficie de los granos de arena
para desarrollar las propiedades de cohesión y plasticidad requeridos en la
preparación de moldes y corazones.
El objetivo de las pruebas, en las
arenas de fundición, es predecir el comportamiento de una mezcla de arena
durante la operación de colado. Los ensayos deben presentar las condiciones
de operación prácticas con las que se trabaja en la industria de la
fundición, una relación constante de la calidad de la pieza fundida con las
propiedades de la arena, es base sólida para la formulación adecuada de la arena
de moldeo.
Preparación de arenas para ensayo
Los aglutinantes se adicionan a
la arena seca y se mezclan durante un minuto para asegurar una distribución
uniforme, se hace la adición de agua y se continúa mezclando durante dos
minutos más en húmedo.
Para recubrir perfectamente la
superficie de los granos de arena con el aglutinante y desarrollar las
propiedades de plasticidad y cohesión que se requieren en la confección de
moldes en verde y en seco por procedimientos de moldeo manual o mecánico, es
importante que una vez preparada la mezcla retirar la arena del mezclador tan
rápido como sea posible a un recipiente hermético con el objeto de que no se
pierda la humedad y los resultados de las pruebas sean representativos.
Proposito.
En esta
practica , el estudiante debe conocer los métodos de ensayo para evaluar
algunas propiedades y de las características de las arenas de moldeo, asi
como aprender los procedimientos para llevarlos a cabo. Esta ssion de
practica le permitita correlacionar los defectos de las piezas que se
obtendrán en la practica de fundición.
Procedimiento Experimental
1.
Determinación
del porcentaje de humedad
La humedad de una arena
corresponde a la cantidad de agua que se evapora totalmente a la temperatura
de 100 a 110°C. En una arena arcillosa existe un determinado porcentaje de
humedad para obtener una óptima cohesividad. Debe trabajarse con límites de
humedad determinados para evitar defectos en las piezas fundidas especialmente
gases de colada. La humedad de la
arena se puede determinar por los siguientes métodos:
1.1Método del secador infrarojo.
El secador se compone de una
lámpara de rayos infrarrojos dotados de un reflector y de un recipiente. Los pasos a seguir son los siguientes:
1.1.1 Pese en una balanza 50 gramos de
arena de moldeo y colóquela en el platillo del secador; distribúyala de
manera uniforme y colóquela en la parte inferior del equipo.
1.1.2. Coloque la muestra por un tiempo de 2
minutos, saque la muestra tan rápido
como pueda, déjela que enfríe, pésela, anote el valor obtenido para determinar
la perdida de peso.
1.1.3Repita la operación 1.1.1 y 1.1.2, pero ahora
con un tiempo de 5 minutos correspondiente al tiempo de secado.
1.1.4Repita
las operaciones anteriores, incrementando el tiempo en 2 minutos hasta alcanzar los 15 minutos
del secado.
1.1.5Determine
el contenido de humedad en la arena empleando la formula descrita a
continuación.
Porcentaje de Humedad= (P-p) 100/P
P: peso de la muestra.
p: peso de la arena después de seca.
1.2. Método de la Bomba de acetileno (Bomba
Speedy).
Consiste en la reacción del agua que
contiene la arena con el carburo de calcio. La presión ejercida por este gas,
es proporcional al porcentaje de humedad de la arena, que se lee directamente
en el manómetro del aparato.
Pasos:
1.2.1. Llenar una copa de medida con carburo de
calcio.
1.2.2 Con el
cuerpo de ;la bomba colocada verticalmente, deje caer el carburo hasta el
fondo.
1.2.3. Pese
rápidamente la muestra de arena en la balanza de la bomba.
1.2.4. Coloque
la bomba en posición horizontal y haga entrar la muestra pesada de la arena
de moldeo, evitando que haya contacto entre la muestra y el carburo de
calcio.
1.2.5. Cierre
la tapa de la bomba.
1.2.6. Agite
vigorosamente la bomba durante algunos minutos, unos cinco minutos y lea el
dial. El resultado del contenido de humedad en la arena de moldeo es el leído
cuando dicho valor sea constante.
1.2.7. Limpia
perfectamente la bomba.
1.3. Con la estufa del laboratorio.
1.3.1.Tome
muestras representativas de la arena y
guárdelas rápidamente en un recipiente.
1.3.2.Pese en
una balanza 100 gramos de la muestra y
colóquela en un vidrio reloj completamente
seco y limpio.
1.3.3. Coloque
la muestra en la estufa previamente calentada a una temperatura de 100 o 110°C.
1.3.4 Cumplido los primeros 15 minutos
saque la muestra, espere que alcance la temperatura ambiente. Pésela y anote
su valor. A partir de este valor determine el porcentaje de humedad.
1.3.5 Continúe haciendo la operación a
intervalos de 15 minutos, hasta que el peso sea constante.
1.3.6 Determine el porcentaje de
humedad, de acuerda a la formula descrita en el punto 1.1.5.
2.
Determinación
del contenido de arcilla
Método por decantación.
1.
Secar a 115oC 50 gramos de arena sílice base.
2.
Colocar la
arena pesada en un vaso de vidrio específico.
3.
Agregar 450ml
de agua destilada y 25ml de solución de pirofosfato de sodio al 1,5%.
4.
Colocarle el
agitador mecánico y agitar durante 5 minutos dejando sedimentar durante 10
minutos, luego sifonear.
5.
Al remanente
en el vaso, agregar nuevamente agua destilada, agitar, sedimentar y luego
sifonear.
6.
Repetir la
acción anterior pero esta vez dejando decantar durante 5 minutos y sifonear.
Debe repetir el proceso hasta que el agua extraída del vaso sea completamente
clara.
7.
Colocar los
granos de arena silícea en un vidrio reloj, secarla a 110o C por
un de una hora aproximadamente.
8.
Pese la arena
cuando este a temperatura ambiente y determine el contenido de arcilla en esa
arena aplicando la siguiente formula.
Porcentaje de Arcilla= (A-a) 100/A
A: peso de la muestra.
a: peso de la arena después de seca. 3. Preparación de probetas patron para arenas de pundicion
La probeta patrón, se utiliza para ensayos de permeabilidad en
verde o en seco, dureza, resistencia al corte y compresión en verde o en
seco; las dimensiones y formas de las probetas para este tipo de ensayo, son cilíndricas
con diámetro de 50,8 mm, y longitud de 50.8 mm, el peso de la arena usada es
de unos 150 g en función del mismo contenido de aglutinantes.
El equipo para la preparación de las
probetas es de base metálica con un recipiente tubular para comprimir la
arena, un apisonador con peso de 6.356 Kg. y un machuelo para la extracción
de las probetas.
Pasos:
3.1Obtener una muestra representativa y colocarla en el recipiente
sellado.
3,2Pesar aproximadamente 160 gr, llene el molde para la confección de la
probeta
3.3Coloque el conjunto en el equipo de fabricar las probetas y deje
descender lentamente el apisonador.
3.4Dé tres golpes seguidos con el apisonador, a intervalos de
aproximadamente de uno cada segundo. Al finalizar esta operación, el tope del
vástago del apisonador debe quedar
dentro de las ranuras del aparato, ubicadas en la parte inferior.
Se prepararan dos probetas de cada
tipo; dos cilíndricas, dos bicilindricas, dos paralelepípedos, de modo que se
realicen los ensayos tanto en verde como en seco.
4. Determinación de la permeabilidad
La
permeabilidad es la propiedad física de la arena moldeada en verde o en seco
de permitir el paso de los gases a través de la misma.
El alto contenido de aglutinante y material
fino, el porcentaje de humedad, el grado de compactación son factores
importantes que influyen en la permeabilidad de una arena.
Para determinar la permeabilidad de una
arena de fundición, se emplea la probeta de ensayo cilíndrica con diámetro de
50.8 mm. por 50.8 mm, de altura y la velocidad de flujo del aire bajo presión
constante de 10 cm de columna de agua que pasa a través de la probeta.
Pasos:
4.1Identifique el permeámetro.
4.2Coloque el cilindro con la probeta de arena de
moldeo, en el cabezal del aparato.
4.3Deslice el botón y encienda el equipo.
4.4Realice la lectura del manómetro cuando el
valor sea constante.
4.5Repita el procedimiento anterior pero con
una probeta previamente secada en el horno a 110oC por 30 minutos, para
determinar la permeabilidad en seco
.
5. Pruebas de cohesion o resistencia de la arena
La resistencia de una mezcla de
arena para fundición se puede determinar por medio de ensayos de compresión y
corte en verde y en seco. La resistencia a la compresión y al corte en verde
es la resistencia máxima que una probeta patrón es capaz de soportar cuando
se aplica una carga creciente en forma continua hasta que se produzca la
rotura por la presión aplicada (en lb/plg2).
La cohesión de una arena es consecuencia directa
de la acción del aglutinante y va a depender del contenido y naturaleza de
este y a su vez del porcentaje de humedad.
La cohesión se puede establecer
mediante cuatro pruebas que determinan las cargas de rotura por compresión, por tracción, por
flexión y por cortadura; siendo la prueba de compresión la mas importante
puesto que indica si la arena será capaz de soportar las fuerzas a la que
estará sometido el molde durante las operaciones de moldeo. En esta sección
de practica se realizaran tres de las pruebas mencionadas.
Por cada contenido de aglutinante
existe un máximo de humedad a los efectos de la resistencia a la compresión
en verde. Para la bentonita, por ejemplo, este valor es alrededor de un 2% y
aumenta en proporción directa al contenido del aglutinante, si se aumenta la humedad
respecto a este valor la resistencia a
la compresión en verde disminuye. El aumento de humedad, tiene un efecto
contrario sobre la resistencia a la compresión en seco.
Otro factor que influye sobre la cohesión,
es la forma de los granos, una arena de granos angulosos presenta una cohesión
menor a una arena de granos redondos,
esto debido a que esta ultima la superficies de contacto son mayores.
5.1.Compresion
5.1.1 Colocar
la probeta cilíndrica en la maquina de ensayo de arena.
5.1.2.
Colocando los accesorios idóneos, dar vuelta al volante hasta que ocurra la
ruptura de la probeta.
5.1.3 Realizar
la lectura en el manómetro.
5.1.4 Repetir
la operación con la probeta en seco.
5.2. Tracción
5.2.1 Utilizando
la probeta bicilindrica, repetir la operación del punto 5.1.1.
5.3 Flexión
5.3.1Utilizando
la probeta paralelepípedo, repetir la operación del punto 5.1.1
.
6. Determinación granulometrica de una arena de
moldeo
La
finura de una arena de moldeo se determina por el tamaño y distribución de
sus granos, el objeto del ensayo es obtener la curva de distribución
granulométrica de la arena.
La finura de la arena afecta las propiedades físicas que desarrollan
las mezclas de arena para fundición, permeabilidad, resistencia, plasticidad,
etc.
El procedimiento para la
separación del tamaño de grano a través de una serie de cedazos metálicos de
mallas decrecientes y organizados en forma vertical, consisten :
6.1Pesar 100
gramos de arena sílice.
6.2Colocar la
muestra en el cedazo superior cubierto
con la tapa, y se inicia la vibración que debe ser de quince minutos. Este procedimiento es aplicable
a arenas que no contienen arcilla, arenas aglutinadas en forma natural o
sintética, de las cuales se determina la cantidad de arcilla por lixiviación.
6.3Determine
el índice de finura del grano (IFG) de acuerdo a las siguientes
instrucciones:
6.3.1Pese cuidadosamente la arena sílice
retenida en cada tamiz, según la expresión: % retenido en cada malla= (Ws/Wt)
x 100; donde Ws es el peso retenido en el tamiz considerado; Wt
es el peso total retenido
6.3.2 Determinar la sumatorio de esos
porcentajes.
6.3.3. El peso de arena silícea retenido
en cada tamiz, multiplicarlo por cada valor dado en la tabla.
6.3.3.Sumar
los productos anteriores.
6. 3.5
Calcular el índice de finura del grano así: IFG= (∑(Xi mi
)/∑Xi )
Donde Xi es el porcentaje de
arena silícea retenida en el tamiz i y m es el factor multiplicante por cada
malla.
3.6 Elabore el
grafico del porcentaje retenido en cada tamiz y determine como es la
permeabilidad en esa arena.
La gráfica del porcentaje
retenido en cada tamiz vs el número del tamiz, representa la curva de
distribución de la arena o la frecuencia de distribución del tamaño del grano
basada en el análisis granulométrico. La forma de los granos de la arena se
pueden observar al microscopio con 40 aumentos. Vea el siguiente ejemplo
IFG= 741,7/88,72=8,36
7. Aspectos a ser presentados en el informe
El informe
debe entregarse bajo las normas descritas en el manual de la UPEL-IPB;
mencionado trabajo debe contener, tablas de resultados y resultados obtenidos
en cada experimento con su respectivo análisis y soporte teórico.
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