Este documento evalúa cómo varían las propiedades mecánicas y la permeabilidad de moldes cerámicos aglomerados con silicato de sodio al variar el espesor de la cáscara. Se fabricaron muestras con diferentes espesores de 5 a 10 capas y se midió su resistencia a la flexión y permeabilidad. Los resultados mostraron que un mayor espesor incrementa la resistencia mecánica pero reduce la permeabilidad, aunque este efecto es menor para espesores mayores de 8 capas. Un mayor espesor también aumenta los cost

1. Jornadas SAM 2000 - IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, Agosto de 2000, 109-114
109
CARACTERIZACIÓN DE MOLDES CERÁMICOS AGLOMERADOS
CON SILICATO DE SODIO PARA DISTINTOS ESPESORES DE
CÁSCARAS
O.E. Oviedo, N.G. Cotella, P.G. Varela, O.A. Radevich y R.G. Kohl
Universidad Nacional de Río Cuarto - Facultad de Ingeniería
Ruta Nacional 36 Km. 601 - 5800 Río Cuarto (Cba.) - Argentina
email: ooviedo@ing.unrc.edu.ar
RESUMEN
La fundición de precisión es un método de producción de piezas coladas, con excelente
precisión dimensional y terminación superficial. La utilización como ligante en los moldes
cerámicos del Silicato de Sodio es una nueva tecnología incorporada a la construcción de
estos. Cada capa del molde es gelificada en una atmósfera de dióxido de carbono,
sinterizándose a alta temperatura.
La adecuada calidad del producto ofrecido al mínimo costo, debe ser uno de los
objetivos del proceso de fundición. La optimización de las propiedades mecánicas del molde,
entre otras variables que hacen al proceso, conduce a satisfacer este objetivo.
La resistencia mecánica y la permeabilidad son propiedades que caracterizan el
desempeño del molde en servicio, proporcionándole a este la capacidad para soportar la
presión metalostática, el choque térmico y permitir la evacuación de los gases producidos en
su interior durante el llenado.
La deficiencia en alguna de estas propiedades lleva a malograr la integridad de las
piezas fundidas y se tornan críticas al utilizar canales de colada de mayor altura, que requieren
distinto espesor de pared para la obtención de piezas de diferentes tamaño y masa.
En el presente trabajo se evalúa la permeabilidad y la resistencia mecánica de moldes
utilizados en fundición de precisión, aglutinados con Silicato de Sodio, variando el espesor de
la cáscara, propendiendo a asegurar la calidad. Se concluye que un mayor espesor incrementa
la resistencia mecánica, baja la permeabilidad, y aumenta el costo del proceso de fabricación.
Palabras claves
Fundición de precisión, Cáscara, Investment Casting, Permeabilidad, MOR
INTRODUCCION
Mediante la técnica de microfusión o fundición a la cera perdida, se proporciona gran
cantidad de piezas a la industria, caracterizadas por una perfecta terminación superficial y
estrechas tolerancias dimensionales (Mullers et al, 1992 [1]).
Dicha técnica consiste en cubrir un modelo mediante el estucado con barros cerámicos,
para luego proceder a extraer el modelo por fusión del mismo, calcinar el molde y llenar el
espacio dejado por el modelo con metal fundido. Posteriormente a su solidificación se elimina
el molde y se obtienen las piezas terminadas (B.I.C.T.A [2]). El molde sin calcinar deberá
soportar la presión del material del modelo al extraerlo. Una vez calcinado, el molde tiene que

2. Oviedo, Cotella, Varela, Radevich y Kohl
110
contrarrestar el choque térmico, la presión metalostática y la masa del metal fundido. En
virtud de ello y teniendo en cuenta la variación del espesor de la cáscara en función del
número de capas, es fundamental el control de la resistencia del molde sin calcinar y
calcinado, a fin de lograr valores adecuados para que no se vea comprometida su integridad y
sus dimensiones.
Durante el llenado de los moldes es necesario desalojar el aire contenido en ellos y
evacuar los gases que se puedan desprender del metal a fin de que no queden ocluidos en la
pieza. Para ello es muy importante controlar la variación de la porosidad en el molde (M. J.
Hendricks [3]). La porosidad evaluada mediante la permeabilidad, contribuye a definir la
calidad de las piezas obtenidas. La cáscara cerámica está compuesta por un barro aplicado en
sucesivas capas alternando con material de relleno hasta lograr un molde de espesor
adecuado.
El barro refractario está construido por dos fases, una sólida y una líquida. La fase
líquida está compuesta de aglutinantes, tensioactivos y antiespumantes (Metals Handbook
[4]).
El aglutinante provee sol de sílice que por acción química y térmica cohesiona los
granos de arena de relleno a fin de lograr la resistencia requerida en el molde.
Como aglutinante es usual la utilización en la industria del sílice coloidal o del silicato
de etilo, (B.I.C.T.A., 1984 [2]). El presente trabajo pretende realizar una valoración de los
moldes para fundición de precisión donde se utiliza el silicato de sodio como aglutinante,
evaluando para ello la variación de los parámetros que intervienen en el proceso, como
consecuencia de la variación del espesor de las cáscaras.
PARTE EXPERIMENTAL
Los parámetros de los moldes se evaluaron mediante la determinación de la resistencia a
flexión y la permeabilidad para muestras con distintos espesores. Para ello los grupos de
probetas destinadas a realizar dichos ensayos, fueron confeccionados mediante el
procedimiento empleado normalmente en el proceso de fundición de precisión, previamente
determinado para el moldeo con silicato de sodio (Cotella et al., 1997 [5]).
La variación del espesor de las cáscaras se logró incrementando el número de capas,
partiendo de un espesor mínimo de cinco capas, hasta un máximo de diez capas, aumentando
de a una capa por cada grupo de probetas a ensayar.
Para la confección de las probetas de distintos espesores, destinadas a los ensayos con el
objeto de determinar la resistencia mecánica a la flexión (MOR) (Modulus Of Rupture), se
utilizaron modelos de cera de 70 mm x 30 mm x 10 mm, fabricados por inyección en matriz
metálica. De cada uno de los modelos, se obtenían dos probetas cerámicas de un mismo
espesor. Como modelos para la confección de probetas de distintos espesores, destinadas a la
determinación de la permeabilidad, se emplearon pelotas de tenis de mesa, adosadas a tubos
cerámicos, sobre los cuales se construyó la cáscara cerámica.
Por ende, la secuencia de operaciones utilizada para la construcción de las muestras es
la que a continuación se describe:
1.- Moldeo: Se procedió en forma sucesiva a la inmersión de los modelos en el lodo,
seguido del correspondiente estucado con distintos materiales refractarios: ortosilicato de
circonio con índice de fineza según American Foundrymen’s Society (AFS) 110 y chamote
con granulometría # 12/70.
2.- Fraguado: luego de estucar cada una de las capas aplicadas, se procedió al fraguado

3. Jornadas SAM 2000 - IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga
111
de las mismas en forma secuencial, en una atmósfera de dióxido de carbono.
3.- Secado: Al completar el moldeo con su fraguado correspondiente, los grupos de
probetas de distintos espesores, fueron sometidos al secado en aire forzado por espacio de 120
horas,
4.- Calcinado: Luego de realizada la operación de secado se separaron las muestras que
serían ensayadas sin calcinar de las que se ensayarían calcinadas. La operación de calcinación
fue realizada a 900°C por espacio de 20 minutos en un horno electrico tipo mufla. Luego de
alcanzar la temperatura establecida las probetas fueron enfriadas en el propio horno en forma
lenta para evitar la creación de tensiones internas que pudieran alterar los resultados.
Determinación de la permeabilidad de las probetas de distintos espesores
La permeabilidad de las muestras calcinadas de distintos espesores, se determinó a
temperatura ambiente, utilizando la técnica definida por AFS para masas de moldeo. Dichas
determinaciones se realizaron mediante un Permeámetro Digital. Los valores representados en
el gráfico (2) fueron obtenidos a partir de la siguiente ecuación:
Pb
Vs Q D
P A
=
. .
.
(1)
Pb = Permeabilidad
Vs = Viscosidad del aire [N seg m -2
]
Q = Caudal aire [m3
seg -1
]
D = Espesor de probeta [m]
P = Presión diferencial [N m -2
]
A = Área de probeta [m 2
].
Determinación de la resistencia a la flexión (MOR) para distintos espesores
A fin de determinar la resistencia a la flexión, para las muestras de distintos espesores,
se utilizó una Máquina Universal de Ensayos Digital para masas de moldeo según AFS con
montaje para flexión, apoyos flotantes y carga aplicada en tres puntos, siendo la luz entre
apoyos de 50 mm. Los valores de Resistencia a la Flexión (MOR), para las muestras sin
calcinar y calcinadas son mostrados en el gráfico (3) y fueron obtenidos a partir de la
siguiente ecuación:
Resistencia a la Flexión (MOR)
2
3
2
bd
PL
M = (2)
Donde:
M = Módulo de ruptura en [Pa]
P = Carga de rotura en [N].
L = Distancia entre soportes de apoyo en [m].
b = Largo de la muestra en [m]
d = Espesor de la muestra en [m].

4. Oviedo, Cotella, Varela, Radevich y Kohl
112
Todos los ensayos fueron realizados en una sala de moldeo acondicionada a 20 / 21ºC y
50 / 55 % de humedad relativa.
RESULTADOS
En el gráfico 1 se muestra que al aumentar el número de capas, se incrementa en forma
cuasi lineal el espesor de los moldes, llegándose a la capa N° 10, partiendo de un espesor de
4,8 mm. con cinco capas, hasta un espesor de 9,7 mm. con 10 capas.
0
2
4
6
8
10
12
5 6 7 8 9 10
Nº DE CAPAS
Espesor[mm]
Grafico 1. Variación del espesor del molde con el número de capas.
En el gráfico 2 se observan los valores obtenidos al medir la permeabilidad de las
cáscaras, presentando la misma una sensible disminución, en función del número de capas.
0
1
2
3
4
5
6
7
5 6 7 8 9 10
Nº DE CAPAS
PERMEAB[m2xE-13]
Grafico 2. Variación de la permeabilidad con el número de capas
El análisis estadístico de los resultados se realizó con un programa específico, el cual
arrojó que los errorres experimentales están normalmente distribuidos con media cero y
varianza constante la cual fue estimada a partir de los valores medidos (Milton & Arnold [7]).

5. Jornadas SAM 2000 - IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga
113
Considerando un molde de ocho capas, se hallaron estimaciones para los valores medios y un
intervalo de confianza para estos parámetros al 95 %, lo cual arrojó:
Espesor = 7.95 ± 0.20 mm. con una aproximación de un polinomino de grado dos
Permeabilidad = 3.62 ± 0.76 m2 x E-13 con una aproximación de un polinomino de grado dos
MOR sin calcinar = 5.86 ± 0.29 MPa con una aproximación de un polinomino de grado dos
MOR calcinado = 8.31 ± 1.45 MPa con una aproximación de un polinomino de grado tres
ajustándolos en todos los casos por el método de mínimos cuadrados.
DISCUSION
Como era de esperar, al incrementar el número de capas manteniendo contante la
granulometría del material de relleno, se obtiene un crecimiento proporcional en el espesor de
los moldes tal como se muestra en el gráfico 1.
En el gráfico 2, si bien se observa que la permeabilidad desciende al aumentar el
número de capas, este descenso presenta un cambio de pendiente en la capa N° 8, a partir de
la cual, su variación es mínima.
De la observación de los resultados obtenidos en el gráfico 3, surge que los valores de
resistencia del molde se incrementan a medida que aumenta el espesor.
Los valores obtenidos en el mismo gráfico, indican que la resistencia (MOR) de los
moldes sin calcinar, presenta un incremento que no es proporcional a la resistencia (MOR) de
los moldes calcinados. Esto se debe a que al incrementar el número de capas, se dificulta la
eliminación de la humedad del molde, dando como consecuencia un crecimiento de la
resistencia menos significativo.
Para las muestras calcinadas, la resistencia mecánica se eleva, presentando un
crecimiento de aproximadamente el 20% entre las capas N° 7 y N° 8, para luego continuar
con un crecimiento suave hasta la capa N° 10, tal como se observa en el gráfico.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
5 6 7 8 9 10
Nº DE CAPAS
MOR[MPa]
MOR SIN CALCINAR MOR CALCINADO
Gráfico 3. Variación de la resistencia mecánica (MOR) con el número de capas.
CONCLUSIONES
De acuerdo a los valores obtenidos se concluye que el procedimiento empleado posee la

6. Oviedo, Cotella, Varela, Radevich y Kohl
114
sensibilidad adecuada.
Duplicar el número de capas implica reducir la permeabilidad, e incrementar
ligeramente la resistencia mecánica de las cáscaras sin calcinar y calcinadas.
El incremento de la resistencia mecánica de los moldes implica la posibilidad de
soportar mayor presión metalostática, pero a la vez aumenta los costos de producción,
fundamentalmente en lo referido al crecimiento de los tiempos de moldeo y secado.
REFERENCIAS
1. Müllers, Tagle. Fundición de precisión en cáscara cerámica, Universidad Católica de
Valparaíso, 1992.
2. B.I.C.T.A.. Shell Technology, The British Investment Casters Technical Association,
1984
3. Hendricks, M.J. Michael. Ceramic Shell Permeability, 38th
Annual Meeting of the
Investment Casting Institute, 1990.
4. E. O’Brien. Carbon Dioxide Moldin, Metals Handbook Ninth Edition, Vol. 15, A.S.M.
5. N. Cotella, O. Oviedo, P. Varela, O. Radevich, R. Col. Evaluación de Materiales y
Calcinación en Moldes cerámicos Aglomerados con Silicato de Sodio, Jornadas SAM’97
y Primer Taller Nacional Sobre Materiales Para La Construcción, Tandil, 1997.
6. M.P. d’Ambrosio, C.R.F. Ferreira, Caracterização de Moldes Cerâmicos do Tipo Casca:
Permeabilidade a Quente e MOR, I Workshop Brasileiro de Fundição de Precisão, Porto
Alegre, Brasil. 151-163, 1993.
7. Milton, Arnold. Probability and Statistics in the Engineering and Computing Sciences,
McGraw - Hill, 1986.