Introducción al modeo de los metales

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INTRODUCCIÓN:
Enlace:
Fuerza que mantiene unidos los átomos entre sí para formar moléculas u otros
agregados atómicos. Esta fuerza puede tener un valor considerable, por ejemplo, la
resistencia de un trozo de acero a cualquier solicitación exterior.
Fuerzas y energía de interacción entre átomos:
Atractivas: debidas a 1) naturaleza del enlace, 2) atracciones electrostáticas
entre cada núcleo atómico y la nube electrónica del otro.
Repulsivas: debidas a 1) acción electrostática entre los núcleos atómicos, 2)
repulsión entre las atmósferas electrónicas.
Como consecuencia a estas fuerzas, los átomos adoptan una posición de equilibrio,
para la cual la resultante de ambas es nula, que es función de la temperatura y
presión.
Si acercamos o separamos los átomos con relación a la posición de equilibrio, se
desarrollan fuerzas repulsivas o atractivas respectivamente, que tienden a volverlos a
dicha posición (elasticidad).
Enlace iónico:
Se produce cuando al unir dos átomos, uno es más electronegativo que el otro. La
electronegatividad es la capacidad de un átomo para atraer electrones.
Prototipo de este enlace es la unión del cloro y sodio para dar cloruro de sodio ClNa.
Al ponerse en contacto ambos átomos, el del Cl capta el electrón solitario exterior del

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Na y adoptan la configuración de gas noble más próximo, el Cl la del Ar y el Na la del
Ne. Como los núcleos no han cambiado, el Cl pasa a ión Cl- y el Na a ión Na+. Al
tener cargas opuestas, ambos iones se aproximan por atracción electrostática.
Enlace covalente:
Se da en átomos con apetencia electrónica muy similar. Ejemplos típicos son la unión
de átomos para formar moléculas: H2, Cl2, O2, FH, y otras, sobretodo orgánicas (CH4).
Este enlace es debido a pares de electrones compartidos, de tal forma que los átomos
que se combinan puedan adquirir la configuración electrónica estable de gas noble.
Es un enlace fuerte, proporciona fuerzas atractivas intensas entre los átomos que une.
Ejemplo, el diamante está formado por átomos de C que comparten sus cuatro
electrones formando una red tridimensional.
Enlace metálico:
Los elementos metálicos (que son la mayor parte de los elementos químicos) poseen
unas propiedades comunes: buena conductividad eléctrica y térmica, brillo metálico,
opacidad, capacidad de deformación plástica, etc. Estas propiedades están
íntimamente relacionadas con la naturaleza del enlace metálico.
Según Lorentz, un metal es un conjunto ordenado de esferas rígidas
que son los iones positivos (originados al separarse algunos
electrones periféricos del conjunto del átomo, como consecuencia de
la baja electronegatividad de los elementos metálicos). Rodeando a
los iones, se hallan los electrones libres que, al igual que las
moléculas de un gas, se mueven por los intersticios, formando una
nube o gas electrónico. Esta teoría explica las distintas propiedades de los metales.
ESTRUCTURA CRISTALINA.
La materia está formada por átomos, iones, moléculas entre los que se desarrollan
fuerzas de cohesión. Según la acción de estas fuerzas, la materia se presenta en 3
estados: sólido, líquido y gaseoso. En el estado sólido las fuerzas de cohesión son
suficientemente elevadas como para conservar el volumen y la forma constantes.

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En los sólidos pueden presentarse dos tipos de organización:
a) Estado cristalino: distribución regular de las partículas.
b) Estado vítreo o amorfo: distribución irregular.
El estado cristalino es anisótropo, o sea, ofrece direcciones privilegiadas para su
comportamiento frente a agentes físicos externos.
El estado amorfo es isótropo, o sea, todas las direcciones son iguales.
Desde el punto de vista rigurosamente físico, sólo se consideran sólidos las
sustancias cristalinas.
Sustancias cristalinas: En ellas los átomos, iones o moléculas se repiten
periódicamente en las 3 direcciones del espacio, ocupando posiciones definidas.
Según el tipo de enlace que fija y ordena las partículas de un cristal, se clasifican en
iónicos, covalentes, metálicos y otros.
Cristales iónicos: Se consideran como un empaquetamiento continuo de esferas de
signo contrario y de distinto tamaño. Ej: ClNa.
Cristales covalentes: Ejemplo típico es el diamante, en que cada átomo de C aparece
rodeado de otros 4 átomos (estructura tetraédrica) a los que se une por enlace
covalente. Son muy duros y frágiles, no se deforman plásticamente y poseen una
elevada temperatura de fusión.
Cristales metálicos: Red de átomos unidos por enlace metálicos con los electrones
exteriores libres para moverse a través de los átomos. La temperatura de fusión,
dureza y densidad suelen ser elevadas. Una característica muy importante es que
permiten gran deformación plástica, lo que hace posible darles la forma deseada, ello
es posible gracias a la facilidad de desplazamiento de los átomos y de la nube
electrónica.
Estructura geométrica:
Un cristal puede considerarse formado por un grupo de átomos que se repiten de
modo regular e indefinido mediante traslaciones paralelas dando lugar a una red
espacial.
Redes cristalinas de los metales: Como consecuencia del enlace metálico, cada
átomo tiende a rodearse de otros átomos: Los tipos de redes más frecuentes en los
metales son:

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Cúbica centrada (CC).
Cúbica centrada en las caras (CCC).
Hexagonal compacta.
Casi el 70% de los metales cristaliza en el sistema cúbico centrado.
Red cúbica centrada: Los átomos del metal ocupan los vértices y centro de un cubo
(celdilla unidad). Esta red se da en los metales Li, Na, K, Ba, Ti, V, Cr, Mo, Feα, W.
Red cúbica centrada en las caras: Los átomos ocupan los vértices y el centro de las
caras de un cubo. Esta ordenación corresponde a un apilamiento compacto de
esferas. Es característica de los metales Ca, Al, Feγ, Co, Ni, Pt, Cu, Ag, Au y Pb.
Red hexagonal compacta: Los átomos ocupan los vértices de un prisma hexagonal
regular, los centros de las bases y los centros de los triángulos alternativos de la
sección media del prisma. Es el apilamiento más compacto de esferas.
Índice de coordinación: En una red cristalina puede que todos los átomos sean de la
misma naturaleza o de naturalezas distintas. El IC de un átomo es el número de
átomos, de su misma naturaleza, que equidistan de él y son sus vecinos más
próximos.

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Radios atómicos: Si los átomos de la red son todos iguales, el radio atómico es la
mitad de la distancia entre los centros de dos átomos contiguos.
Factor de empaquetamiento atómico: Relación entre el volumen que ocupan los
átomos en la celdilla unidad y el volumen de la celdilla.
ALEACIONES:
Los metales químicamente puros, del 100%, casi no se emplean técnicamente y son
muy difíciles de obtener. Sólo se recurre a metales de gran pureza (99,999%) en el
caso de tener que hacer uso de alguna propiedad específica, conductividad eléctrica,
resistencia a la corrosión y otras, que son muy afectadas por la presencia de átomos
extraños.
Desde el punto de vista técnico, interesa que los metales tengan alta resistencia y
otras características que no poseen los metales puros, por lo que es preciso
adicionarles átomos extraños, que modifican sus propiedades.
Aleación: metal con adición de átomos extraños, siempre que el conjunto conserve las
propiedades metálicas.
Los efectos que producen los átomos adicionados en las propiedades de un metal son
muy variados. Así, impurezas del 0,1% de Bi en el Cu y Au, le hacen completamente
frágiles; bajos porcentajes de Be en el Cu, elevan extraordinariamente su resistencia y
dureza, igual le sucede al Fe cuando se le adiciona C.
Soluciones sólidas:
Según la forman en que se dispongan los átomos de soluto en la red del disolvente:
S.S. de sustitución: Cuando los átomos del soluto se sitúan en los nudos de la
red del disolvente, ocupando las posiciones que antes ocupaba éste.
S.S. de inserción: Cuando los átomos del soluto se sitúan en los intersticios de la
red del disolvente.

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SOLIDIFICACIÓN EN MOLDE. CRISTALIZACIÓN.
La obtención de materiales metálicos tiene lugar, con la excepción del sinterizado,
mediante un proceso previo de fusión y solidificación.
Cristalización:
Proceso mediante el cual, los átomos, iones o moléculas se ordenan para formar la
red cristalina.
Para que la cristalización pueda darse, se precisa que las fuerzas de cohesión
alcancen el valor adecuado, lo cual se consigue disminuyendo la temperatura hasta
alcanzar la de solidificación. Una vez alcanzada, los átomos desordenados se
orientan, se alinean y forman la red.
La cristalización empieza en forma de pequeños núcleos sólidos.
Factores que regulan el proceso de cristalización:
Velocidad de nucleación (Vn) o número de núcleos sólidos que se forman en la unidad
de volumen y tiempo. Vn crece al disminuir la temperatura hasta un cierto valor, a
partir del cual decrece hasta anularse.
Cada sustancia presenta una curva característica, influenciada considerablemente por
las impurezas que, por lo general, favorecen la nucleación.
Velocidad lineal de cristalización (Vc). Formados los núcleos, empieza su crecimiento
en direcciones perpendiculares a las caras del cristal, siendo Vc el aumento de
longitud de los cristales por unidad de tiempo.

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Solidificación de un metal puro:
Si se enfría de forma uniforme, al alcanzar la temperatura de solidificación surgen los
núcleos, a partir de los cuales se desarrolla el cristal en las direcciones de ciertos ejes,
dando origen a formas arborescentes denominadas dendritas. A veces, estas
dendritas son visibles a simple vista en la superficie del metal.
El núcleo nace en A y se desarrolla primeramente según un esqueleto trirrectángulo, a
continuación aparecen centros de cristalización secundarios (B) y después centros
terciarios (C), y así sucesivamente.
Al crecer, las dendritas se ponen en contacto con las vecinas, y siguen creciendo
hasta que todo el espacio interdendrítico se ha llenado por completo. Así, cada
dendrita inicial da origen a un poliedro más o menos regular, limitado por sus vecinos,
que se llama grano cristalino.
Microestructura:
Si observamos una superficie metálica, pulida y atacada con los reactivos adecuados,
con un microscópico metalográfico, aparece la microestructura, que es una estructura
poligonal, siendo las líneas poligonales los bordes o límites de grano.
Periodos característicos de la solidificación:
a. Los cristales formados son todavía pequeños y pueden moverse libremente en
el seno de la fase líquida, por tanto, esta fase es continua y la sólida es
discontinua.
b. Los cristales se han desarrollado lo suficiente para que se establezca contacto
entre ellos y se inmovilicen, pero aún quedan espacios por entre los cuales
puede circular el líquido, por tanto, ambas fases son continuas.

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c. Los cristales han crecido tanto que forman tabiques e impiden el libre
desplazamiento de líquido, así, la fase sólida es continua y la líquida,
discontinua.
Proceso de solidificación de un lingote:
Cuando se vierte el metal fundido en un molde, se enfrían con más rapidez las partes
de la masa líquida que están en contacto con las paredes, que en la parte central,
produciéndose un elevado gradiente o variación de temperaturas.
Por tanto, en un instante determinado los distintos puntos de la masa líquida no tienen
la misma temperatura y se encuentran en diferentes etapas de solidificación, lo que
origina una heterogeneidad estructural en el lingote.
Tipos representativos de solidificación:
Metales puros: Solidifican a temperatura constante. La cristalización se inicia en la
zona periférica en contacto con la pared fría del molde donde se desarrolla una
delgada capa de granos muy finos, equiaxiales. A continuación, los cristales se
desarrollan en dirección perpendicular a las paredes del molde, dando origen a una
zona basáltica o de cristales columnares. El calor liberado en la solidificación se
transmite por conducción a través de la pared del molde.
Aleaciones de composición eutéctica: Solidifican a temperatura constante. Se forman
cristales muy finos. Como en los metales puros, la cristalización se inicia en la zona
periférica y progresa en forma de frente continuo.

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Aleación con intervalo de solidificación: A continuación de la zona periférica de grano
fino, se desarrollan dendritas perpendiculares a la pared del molde y penetran en el
líquido que se encuentra en estado pastoso y que da lugar a que se engendran
granos que se desarrollan en todas las direcciones (equiaxiales).
Los cristales columnares crecen con la misma velocidad y detienen su crecimiento
cuando se encuentran con los adyacentes, formándose planos diagonales de unión,
que pueden ser zonas potenciales de debilidad. Estos planos de debilidad pueden
eliminarse usando moldes con vértices y aristas redondeadas.
Cuando los moldes son de arena o moldes metálicos calientes, las zonas
consideradas anteriormente no quedan bien delimitadas, y en casos extremos, se
obtiene una estructura única de granos equiaxiales de tamaño grueso.
Tamaño de los granos:
El tamaño y la forma de los granos es función del proceso de solidificación o de las
transformaciones que pueden tener lugar posteriormente.
Normalmente, en la mayoría de los metales, el enfriamiento rápido tiende a afinar el
grano.
La influencia de la velocidad de enfriamiento se aprecia en la obtención de piezas
moldeadas en arena (enfriamiento lento, pues la arena conduce poco el calor), donde
se obtiene un grano grueso, o en coquilla metálica (enfriamiento rápido, pues el metal
es buen conductor del calor) donde se consigue estructura de grano fino.
Las propiedades mecánicas de los metales dependen en gran parte del tamaño de
grano. Así, un metal de grano fino es más duro, más resistente al choque y a la
tracción que el mismo con grano grueso.

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Medida del tamaño de grano:
Cuando miramos por un microscopio metalográfico una superficie metálica
debidamente pulida, vemos superficies de tamaños diferentes que son las
intersecciones de los granos con la superficie de corte. Estas superficies pueden
considerarse proporcionales a los volúmenes de los granos.
Podemos calcular el área de cada superficie trazando una circunferencia de diámetro
conocido (y por tanto también su área), contamos el número de granos totalmente
interiores y los cortados por la circunferencia, y se aplica un coeficiente y se calcula la
superficie media de cada grano.
La ASTM (American Society for Testing Materials) ha realizado los patrones de grano,
basados en el hecho de que el ojo humano aprecia mejor las diferencias que los
valores absolutos. Estos patrones están confeccionados para 100 aumentos y están
numerados del 1 al 8.
Aplicando los patrones y la tabla obtenemos el número de granos por mm2 y la
superficie media de los granos.

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CONFORMACIÓN POR MOLDEO:
Moldeo, fundición o colada, es un proceso de conformación sin arranque de viruta,
basado en la fusión de los metales. Son operaciones por las que se obtiene un hueco
o molde con arena, metal o material refractario, que reproduce la forma de la pieza
que se desea fabricar, en el que se vierte o cuela el metal fundido dejándole enfriar
hasta que solidifica completamente.
Si el moldeo es de precisión, las piezas resultan ya con sus dimensiones finales, en
caso contrario se precisa mecanizar algunas de sus partes, para lo que hay que
prever creces o demasías para el mecanizado.
La principal ventaja es que se pueden fabricar con facilidad y economía, piezas de
formas muy complicadas (bloques de cilindros, culatas de motores, bancadas de MH,
etc.) imposibles o muy difíciles de obtener por otros métodos. Permite además el
empleo de metales y aleaciones que no son aptos para la conformación por
deformación o soldadura (ej.: fundición gris).
4000 años a.C. ya se obtenían puntas de flecha de cobre fundido. Posteriormente los
sumerios, unos 3100 años a.C. obtenían piezas moldeadas de bronce. En Egipto y
Mesopotamia existe la evidencia de que se empleó el método de la cera perdida para
obtener piezas pequeñas moldeadas. El moldeo en arena tal vez lo emplearon por
primera vez los chinos hacia el 800 a.C.

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MATERIALES PARA MOLDES.
Molde: Cavidad que reproduce la forma exterior de la pieza que se va a fundir. Se
obtiene, en general, comprimiendo arena sobre el modelo, que se retira después.
Cuando el molde es metálico, se llama coquilla.
Las partes huecas de las piezas fundidas se obtienen colocando bloques macizos
(machos) de arena, cuya forma exterior coincide con la interior que se desea
reproducir.
Arenas de fundición:
Empleadas en la elaboración de moldes y machos. Formadas por granos de arena
refractaria rodeados de un aglomerante para darles cohesión.
Características fundamentales:
a. Plasticidad en estado húmedo, para reproducir con fidelidad los detalles de
la superficie del modelo.
b. Cohesión, para que conserven su forma cuando se retire el modelo, o se
cuele el líquido.
c. Refractariedad, o capacidad para resistir la elevada temperatura del metal
colado.
d. Conductividad calorífica, que regula la velocidad de enfriamiento del metal
en el molde, y con ello, su estructura. La arena seca es menos conductora
que la húmeda.
e. Permeabilidad, o capacidad para dejar pasar los gases que se originen en
la colada.
f. Deformabilidad para comprimirse y permitir la contracción de la pieza
durante su enfriamiento.
g. Facilidad de disgregación, para desalojar la pieza después de enfriada.
h. Bajo coste.
Las arenas que satisfacen estas cualidades están formadas por granos de sílice
(SiO2) y cierta cantidad de arcilla y humedad que actúan como aglomerantes de los
granos.
Los granos de sílice hacen que la arena sea refractaria y permeable, mientras que la
arcilla y la humedad le comunican plasticidad y cohesión.

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También se emplean arenas con granos de circonia (ZrO2), toria (ThO2), berilia (BeO)
y otras. Son más refractarias, pero más caras.
Origen:
Las arenas pueden ser naturales o sintéticas, según de donde se obtengan.
Arenas naturales: Forman sedimentos procedentes de la acción erosiva del viento,
agua o glaciares. Cuando el porcentaje de arcilla y sílice es el correcto para elaborar
los moldes.
Como sus componentes no están uniformemente distribuidos, tienen que sufrir un
tratamiento adecuado antes de su empleo.
Arenas artificiales o sintéticas: Se preparan mezclando porcentajes adecuados de
sílice, arcilla (u otros aglomerantes) y agua. Posibilita la obtención de las
características deseadas con uniformidad.
Tipos:
Arena verde: Arena húmeda con el agua imprescindible para darle plasticidad y
cohesión. Se emplea para piezas de pequeño tamaño. El % de humedad debe ser
bajo (< 8%) para evitar que se desprendan mucho gases durante la colada y se
formen porosidades.
Arena seca: se elimina la humedad de los moldes calentándolos en estufas o al aire.
Se usan para fundir piezas grandes o de formas complicadas y cuando se desee una
elevada calidad. Tiene mayor resistencia mecánica, menor tendencia a producir poros,
mayor precisión dimensional, pero es más cara.
Arena vieja: la que se obtiene al desmoldear las piezas fundidas. Su arcilla pierde
propiedades aglomerantes por la temperatura a la que se ha sometido. Se regenera
adicionándole arcilla en la proporción adecuada.
Arena de moldeo: la que entra en íntimo contacto con el metal fundido. Es arena
nueva o regenerada.
Arena de relleno: la que envuelve a la de moldeo y llena el resto de la caja. Se emplea
arena vieja o usada.
Arena para machos: Con aglomerantes especiales para machos.
Aglomerantes:
Sustancias que mezcladas con los granos de arena les comunican plasticidad y
cohesión.

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Aglomerantes inorgánicos:
Se usan preferentemente en las arenas de moldeo.
Arcillas:
Minerales que se vuelven plásticos cuando absorben cierta cantidad de agua. Su
principal componente es el silicato alumínico hidratado. Si4Al4O10.(OH)8. Se
presentan en forma de polvo fino, de diámetro inferior a 20 micras, con estructura en
láminas o escamas delgadas.
Arcillas caoliníticas: En forma de escamas exagonales alargadas. Tienen un elevado
poder refractario (resisten hasta 1500 ºC), se contraen muy poco. Proceden de la
descomposición de feldespatos y micas.
Arcillas illíticas: Proceden de la descomposición de las micas.
Arcillas bentoníticas: Proceden de la descomposición de cenizas volcánicas. Hay dos
tipos: bentonítica sódica y bentonítica cálcica.
Acción aglomerante de las arcillas:
Existen varias teorías que intentan explicarla:
Aglomeración por acción electrostática: El agua es una molécula dipolar, que se
adhiere por su parte positiva a la superficie de las escamas de arcilla, de forma que el
conjunto escama arcillosa – agua presenta una carga superficial negativa.
En los granos de cuarzo de la arena sucede al revés y la carga superficial es positiva.
La unión entre ambos tiene lugar por la interposición de una tercera capa de agua. Si
la cantidad de agua no es suficiente para que se formen estas tres capas, la arcilla
aparece seca y con poco poder aglomerante. Si la cantidad de agua es superior, la
plasticidad aumenta pero la resistencia disminuye.
Aglomeración por rozamiento entre las partículas arena – arcilla: (Teoría de bloque y
cuña). La cohesión es debida a las fuerzas de rozamiento que se desarrollan entre las
partículas de arena – arcilla cuando se las comprime en las cajas de moldeo.
Aglomeración por fuerzas de tensión superficial: El agua que rodea a las partículas de
cuarzo y arcilla llena los espacios capilares. Si entre dos láminas delgadas de vidrio se
interpone una delgada capa de agua, se desarrolla entre ellas una fuerza atractiva,
que es mayor cuanto más delgada es la película acuosa. Esto explica el hecho de

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que, al desecar la arena, aumenta la cohesión, por disminuir el espesor de la capa de
agua que envuelve a los granos de arena – arcilla.
Silicato sódico:
Conocido como vidrio soluble. Se obtiene de la unión de sílice con carbonato o
hidróxido sódico. SiO3Na2.
Cemento: Para arenas de moldeo. Se usa sílice con agua y 10% de cemento Portland.
Aglomerantes orgánicos:
Se usan en las arenas para machos, dan cohesión en verde (propiedad aglutinante) y
resistencia después del secado (propiedad aglomerante).
Otros materiales usados en el moldeo:
Para minimizar la expansión de la arena, al pasar el cuarzo de β a α. Se emplean para
este fin óxido férrico, serrín y otros.
Recubrimientos o aislantes: para obtener una superficie del molde lo más lisa posible.
Su misión es evitar que el metal vitrifique la arena o reaccione con ella. Para ello se
usan sustancias muy refractarias, que se depositan en capa delgada sobre la
superficie de los moldes y machos. Se usan: talco, caolín, mica, alúmina, etc.
Preparación de las mezclas de arenas de moldeo:
Tratamiento previo de arenas y arcillas procedentes de canteras:
Con objeto de homogeneizarlos se someten a:
Secado: en hornos rotativos para facilitar la trituración posterior.
Molido: se hace pasar la arena seca entre dos cilindros paralelos. Se elimina los
trozos grandes.

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Tamizado o cribado: para separar las partes más gruesas y clasificar la arena en
los tamaños de grano adecuados. Se usan tamices vibratorios, de tambor
rotatorio o de sacudidas.
Tratamiento previo de arenas procedentes de desmoldeo:
Esta arena suele estar aglomerada en terrones gruesos conteniendo rebabas, clavos,
alambres, trozos de metal, etc.
Este tratamiento se realiza cuando el coste de las instalaciones se puede amortizar a
expensas del menor coste de la arena regenerada que la nueva.
Operaciones a las que se somete:
Molido: para romper los terrones de arena. Se hace pasar por dos cilindros
paralelos.
Separación de las partículas metálicas magnéticas: mediante imanes.
Tamizado o cribado: análogo al anterior.
Obtención de las mezclas:
Una vez determinada la composición más adecuada de la arena de moldeo, se
procede a la mezcla de las partes componentes hasta obtener un producto
homogéneo.
Operaciones a realizar:

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Dosificación: mediante dosificadores que dejan pasar la cantidad necesaria de cada
material. En instalaciones pequeñas se efectúa por pesada.
Mezclado: para distribuir de forma homogénea la arena, arcilla y otros componentes.
La operación se realiza en mezcladoras, los primeros minutos en seco, después se
adiciona el agua necesaria para que cada grano de sílice esté envuelto por una
delgada capa de arcilla y que la arena tenga la máxima plasticidad. Las mezcladoras
usadas son del tipo molino frotador.
Desintegración – aireación: para deshacer los terrones duros formados en la
operación anterior. La arena se lanza al aire mediante una máquina provista de una
correa con dientes o mediante una pala que gira en el interior de un armazón.
Preparación de las arenas de relleno:
No requiere tantos cuidados como la de moldeo. Se puede usar la arena preparada
para moldeo.
ENSAYO Y CONTROL DE LAS ARENAS:
Su objetivo es determinar las características esenciales de las arenas de fundición.
Los métodos más empleados se ajustan a las normas AFS (American Foundrymen´s
Society) y a DIN (Deusche Industrie Normen).
Se realizan los siguientes ensayos:
Investigación de impurezas y composición química: La impureza más corriente es el
carbonato cálcico CO3Ca, que es perjudicial porque rebaja la refractariedad y
desprende gases durante la colada. La presencia del carbonato cálcico se observa por
la efervescencia que produce el desprendimiento de CO2 al tratar la arena con ácido
clorhídrico diluido.

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Humedad: Cantidad de agua que se evapora completamente a la temperatura de 100
– 110 ºC. Se expresa en porcentaje y se determina desecando 20 g de arena, en una
estufa o con una lámpara de infrarrojos. Si el contenido de humedad de la arena es
elevado, disminuye la permeabilidad y aumenta el desprendimiento de gases durante
la colada (peligro de sopladuras); si es bajo, disminuye la cohesión. Es necesario
mantener la humedad lo más baja posible compatible con una buena resistencia. Este
valor es función del contenido en arcilla.
La mejor plasticidad se obtiene cuando el grado de humedad es de 4 a 6%, que se
corresponde con la densidad mínima.
Refractariedad: Se mide por la temperatura a la que comienza la vitrificación o
reblandecimiento de los granos de arena. Se determina introduciendo la arena en un
horno con control de temperatura durante 3 minutos, al cabo de los cuales se saca del
horno, se deja enfriar y se observa con una lupa. Si no ha comenzado la vitrificación,
se repite la operación con otra muestra, elevando la temperatura 50 ºC, y así,
sucesivamente hasta la temperatura en que aparecen granos vitrificados.
La refractariedad que debe poseer una arena es función de la temperatura de colada
del metal y del espesor de la pieza.
Así, si queremos fundir bronces y metales ligeros ha de ser superiora 1000 ºC, para
fundición gris superior a 1250 ºC y para acero, superior a 1350 ºC.
Materias impalpables o arcilla AFS: Son todas aquellas partículas de la arena cuyo
diámetro es inferior a 20 µm, con independencia de su composición química.
El contenido de arcilla AFS se determina agitando durante 10 minutos, 20 g de arena
seca, en una solución de sosa caústica, para separar los granos de sílice de la arcilla
que los envuelve.
Por su contenido en arcilla, las arenas se clasifican en:
• Magras: si es inferior al 10% de arcilla.
• Semigrasas: si oscila entre el 10 y el 20%.
• Grasas: entre 20 y 30%.
• Muy grasas: contenido de arcilla superior al 30%.
Granulometría: Expresa el porcentaje de los granos de cada tamaño de arena. Para
determinarla, se hace pasar el residuo de sílice seca procedente de la determinación
de la arcilla AFS por un juego de tamices, de abertura de malla decreciente. Se pesan

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los residuos de cada tamiz y se calculan los porcentajes con relación al peso de la
muestra original seca (arcilla + sílice).
Con estos valores puede obtener:
a) Índice de finura AFS, expresado en una cifra que es proporcional a la inversa del
diámetro del grano medio. Se calcula multiplicando los porcentajes de arena
retenida en cada tamiz por el factor correspondiente según la tabla, se suman
los productos obtenidos y la suma se divide por el % total de granos de arena.
b) Curva de frecuencia del tamaño de los granos, tomando en abcisas el número
del tamiz o el logaritmo de su abertura expresada en micras y en ordenadas el
porcentaje de arena retenido en cada tamiz.
c) Curva aditiva o acumulativa, tomando las mismas abscisas que en la curva
anterior y en ordenadas los porcentajes acumulados, o sea, sumando el % de
un tamiz al de los anteriores.
Si la pendiente de esta curva es elevada, indica que los granos de la arena
están distribuidos convenientemente (granos acumulados en 3 tamices
consecutivos). Lo contrario ocurre en las curvas de poca pendiente. Cuando la
arena se usa en varias coladas sucesivas, la pendiente va disminuyendo y la
curva se desplaza hacia la derecha, debido a que los granos se rompen (por el
calor que desprende el metal fundido en el molde) y disminuyen de tamaño.
Según el diámetro de los granos, las arenas se clasifican en:
• Muy fina: 20 – 50 µm.
• Fina: 100 – 250 µm.
• Media: 250 – 500 µm.

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• Gruesa: 500 – 1000 µm.
• Muy gruesa: 1000 – 3000 µm.
Forma y aspecto superficial de los granos: Se determina con lupa o microscopio. Las
arenas se clasifican:
a) Por la forma de los granos, arenas de granos redondeados, angulares o
semiangulares.
b) Por el aspecto de su superficie, arenas de granos lisos y rugosos.
Los granos redondeados dan mejor permeabilidad que los angulares. La unión de los
granos por un aglomerante es superior en los de superficie rugosa que en los de
superficie lisa.
Permeabilidad: Mide la aptitud de la arena para dejarse atravesar por los gases que
se producen en la colada.
Según AFS se caracteriza por el índice o coeficiente de permeabilidad (P). Este
coeficiente se determina usando probetas normalizadas de 2 pulgadas de altura por 2
de diámetro, apisonadas dentro de un cilindro metálico. Las probetas así preparadas
se colocan en un permeámetro y se hace pasar a su través un volumen V = 2000 cm3
de aire a presión constante p = 10 cm de agua.
El tiempo (en minutos) empleado en el paso del aire viene dado por la fórmula:
Sp
hV
P
t
.
.1
= , de aquí obtenemos:
tSp
hV
P
..
.
= , donde h y S son la altura y sección de la
probeta.
La permeabilidad de la arena tiene su mayor importancia en el momento de la colada,
cuando el metal líquido se pone en contacto con las paredes del molde y se origina la
evaporación de la humedad. Si estos gases no pueden ser evacuados a través del
molde, quedan aprisionados en el metal y producen sopladuras.
El valor del coeficiente de permeabilidad (P) es función de:
• Forma de los granos: P máximo en los redondeados y mínimo en los angulosos.
• Tamaño de los granos: P disminuye al disminuir el tamaño, y es tanto menor
cuanto más irregulares son.

22. Diseño de moldes y modelos de fundición. (1DFM) Matías de Haro Padilla Pág. 22
• Contenido de arcilla: Si aumenta, disminuye el espacio entre los granos y, con
ello, la permeabilidad.
• Contenido de agua: si es elevado, se llenan los espacios intergranulares y
disminuye la permeabilidad.
• Grado de apretado: cuanto más apretados los granos, más se reduce el espacio
entre ellos y menor es P.
Dureza o grado de apretado superficial: Se mide con el durómetro, por la penetración
en la arena de una bola de acero.
Fluencia o plasticidad: Aptitud de la arena para apretarse uniformemente alrededor del
molde. Se determina sobre una probeta análoga a la de permeabilidad, midiendo la

23. Diseño de moldes y modelos de fundición. (1DFM) Matías de Haro Padilla Pág. 23
dureza Hs (en la superficie superior) y Hi (en la cara inferior). La cifra de fluencia viene
dada en % por la expresión:
Hs
Hi
F
.100
=
Resistencia mecánica: Las arenas de moldeo tienen que resistir, por su propia
cohesión, los esfuerzos que se originan durante la manipulación de los moldes y los
que se desarrollan en la colada por la presión del metal fundido.
Esta resistencia se determina sobre probetas normalizadas, a distintas temperaturas,
sometidas en máquinas de ensayos a esfuerzos de:
Tracción: La probeta, sujeta mediante mordazas
adecuadas, se somete en la máquina de ensayos
mecánicos a un esfuerzo de tracción
progresivamente creciente hasta la rotura. La
tensión de rotura es
S
F
R
max
=σ , siendo S la sección mínima de 5 cm2.
Compresión. Deformabilidad: La probeta, igual a la de permeabilidad, se coloca
entre dos mordazas planas y se le aplica una carga progresivamente creciente
hasta que se desmorona. La resistencia a la rotura es
S
F
RC
max
=σ
Este ensayo se puede realizar a la temperatura ambiente y hasta 1700 ºC, con
máquinas especiales provistas de horno.
La deformabilidad nos la indica la disminución de longitud que experimenta la
probeta hasta la rotura. Se expresa en tanto por ciento.
Cizalladura: La probeta se coloca entre dos mordazas escalonadas que
producen su rotura por corte en sentido longitudinal del eje de la probeta. La
tensión tangencial de rotura es:
S
F
R
max
=τ , donde S es la sección longitudinal de la probeta (5,5 cm2).
Flexión: Se realiza sobre una probeta alargada, apoyada en sus extremos y la
carga concentrada actuando en el centro. La resistencia a la flexión es
a
LF
f
.4
.max.6
=σ , donde Fmáx es la fuerza de rotura, L es la distancia entre apoyos
(15 cm), a es la altura de la sección de la probeta (2,24 cm).