Ensayos de las arenas y tierras de moldeo

Tecnología de la fundición Profesor Adjunto: Ing Jorge E Grau
Ing Javier Sosa - 1 -
Propiedades y ensayos de las arenas de moldeo y noyería
Introducción:
Para que una tierra sea apta al moldeo, debe reunir las siguientes
características:
Refractariedad: Para resistir las altas temperaturas del metal fundido.
Permeabilidad: En grado tal que permita la evacuación de los gases
disueltos en el metal y del aire contenido en el molde.
Fluidez: Suficiente para tomar y conservar la forma del modelo.
Resistencia: Para resistir los esfuerzos mecánicos y el empuje del
metal.
Estas tierras no deben contener impurezas tales como carbonatos, micas
ú óxidos, que dan lugar a la formación de silicatos fusibles y desprenden
gases que pueden provocar sopladuras.
Las tierras de moldeo son un conjunto heterogéneo, compuesto
esencialmente por una arena base sílice y un aglomerante mineral (
arcillas como la bentonita), a su vez poseen orgánicos ( como la arena
de madera, mogul, etc para darle permeabilidad), carbón mineral molido
( en el caso de colar fundiciones de hierro) y agua.
En base a las características y requerimientos anteriores, se hace
necesario controlarla a través de ensayos. La AFS ( Asociación Norte
Americana de Fundidores), ha estandarizado los siguientes ensayos:
a- granulometría
b- Contenido de humedad
c- Permeabilidad
d- Ensayos mecánicos (dureza, resistencia a la tracción, resistencia a la
compresión, resistencia a la flexión, resistencia al corte)
e- Refractariedad
f- Fluidez
g- Durabilidad.
Ensayo de granulometría: Para efectuar este ensayo es necesario separar
de los restantes componentes de la tierra. Esto se efectúa por medio de
lavado.
Determinación de sustancia arcillosa( método AFS): La muestra de
tierra destinada a la preparación de probetas debe ser tal que represente
las características media de la partida de examen. El ensayo se realiza
sobre 50 gr de tierra seca ( 1 Hr entre 105 –110 ºC) que se coloca en un
aparato lixiviador, formado por un vaso de vidrio y un agitador vertical
movido convenientemente, procediendo de la siguiente forma:

a-Se vierte en un vaso de 475 Cm3
de agua destilada y 25 Cm3
de una
solución de hidrato sódico, obtenida de disolver 30 Cm3
de OHNa en
1000 Cm3
de agua destilada, esta solución tiene por objeto impedir que
las partículas de arcilla se apelotonen formando granos más gruesos, que
se depositarían rápidamente.
Si la tierra había sido aglomerada anteriormente con productos a base de
cereales ó dextrinas hay que lavarlas con agua destilada antes de añadir la
solución.
b- Se agita durante 5 minutos
c-Se añade agua destilada hasta completar una altura de 6 pulgadas.
d-Se agita durante 5 minutos
e-Se deja reposar durante 10 minutos
f-Se extrae por medio de un sifón 5 pulgadas de líquido
g-Se añade agua destilada hasta restablecer el nivel de 6 pulgadas
h-Se agita nuevamente durante 5 minutos
i-Se deja en reposo 5 minutos
j-Se extrae con el sifón 5 pulgadas de líquido.
Se repite las cuatro últimas operaciones hasta que el líquido después de 5
minutos de reposo quede limpio en una zona de 5 pulgadas por debajo del
nivel máximo.
Llegado este momento han quedado eliminadas las arcillas y las sustancias
impalpables que precipitan con velocidades inferiores a 1 pulgada/ minuto,
es decir quedan en el fondo.
Se recoge el material que ha quedado en el fondo del vaso, se saca a unos
110ºC y se pesa.
Puesto que el peso de la tierra era de 50 Gr, si indicamos con a el peso de la
sustancia arcillosa y con Q el de cuarzo, tendremos:
100.
50
50
%
Q
A
−
=
Determinación de la finura: Método AFS
La medición del tamaño de los granos de una arena “ ya separada de la
arcilla”, se efectúa haciéndolos pasar por una serie de tamices con mallas
cada vez más finas, y pesar luego la cantidad retenida en cada tamiz
La norma Americana usa los números:6,12,30,40,50,70,100,140,200,270,
que indican el número de hilos por pulgadas lineal. Dicha norma le ha
asignado para cada dimensión de malla un coeficiente multiplicador “M”
(3,5,10,20,30,40,50,70,100,140,200y 300 para el fondo respectivamente),
por medio del cual se llega a un número convencional que representa la
finura.

Método operativo: Los tamices van dispuestos uno sobre otro formando
una columna y se apoyan sobre un aparato vibrador accionado
eléctricamente.
Se seca y pesa la parte granular que queda después de haber separado la
arcilla, luego se coloca el árido sobre el primer tamiz y se hace funcionar el
aparato durante 15 minutos, se pesan las cantidades retenidas por cada
tamiz y las que han llegado al fondo. Se calcula el porcentaje de arena
retenido por cada tamiz referido al peso inicial de 50 Gr entonces:
100.
50
%;100
50
%;100
50
% 2
2
1
1
q
Q
q
Q
q
Q m
m
===
Se multiplica cada uno de estos valores por el multiplicador M
correspondiente al tamiz en cuestión y se suman los productos
∑ MQ%.
Se divide la suma de productos por el porcentaje total de árido
obteniéndose así el número de finura media de la tierra examinada
∑=
%
%
Q
M
Qf
Ejemplo: Supongamos que la proporción de materias arcillosas ,
determinada por el procedimiento visto anteriormente, sea de 11,7% y que
por consiguiente la de cuarzo sea 88,3%.
En la tabla siguiente se indican las cantidades retenidas en cada tamiz, su
porcentaje, el multiplicador correspondiente y el producto de estos dos
últimos valores

Número de tamiz Cantidad retenida Q % Multiplicador M Producto %Q.M
1 0 - - -
2 Trazas - - --
3 0,8 1,6 10 16
4 1,1 2,2 20 44
5 3,2 6,4 30 192
6 9,8 19,6 40 784
7 18 36 50 1800
8 6 12 70 840
9 3 6 100 600
10 1,25 2,5 140 350
11 0,75 1,5 200 300
fondo 0,25 0,5 300 150
Total..................5076
El grado de finura media del grano será:
F=5076/88,3 = 57
Este número es tanto más grande cuanto más pequeños son los granos. En
la práctica el número de finura de las tierras empleadas corrientemente
pueden estar comprendidas:
Granulometría Nº de finura Tamaño de grano
Gruesa 15-35 1- 0,5 mm
Media 35-60 0,5 – 0,25 mm
Fina 60-150 0,25 – 0,10 mm
Finísima >150 > 0,10 mm
En la siguiente figura está representado el diagrama correspondiente al
ejemplo anterior
El tamaño y porcentaje de cada medida de grano en una tierra determinada
incide sobre los factores más importantes que determinan la calidad de la
pieza:
a) Terminación superficial

b) Permeabilidad
c) Resistencia
El siguiente gráfico muestra la relación entre permeabilidad, humedad y
finura.
La mejor permeabilidad entre dos arenas que poseen el mismo grado de
finura, es aquella muestra que está distribuido en tres tamices
consecutivos.
b) Ensayo de contenido de humedad:
Se entiende por humedad al contenido porcentual de agua en la arena lista
para moldear. La importancia de su control radica en su influencia directa
sobre las propiedades de las tierras de moldeo, la estabilidad de los moldes
y los defectos que puedan aparecer en las piezas moldeadas con ese tipo de
tierra.
Una tierra muy seca es difícil de trabajar y generalmente de baja resistencia
en verde, por el contrario un exceso de humedad produce defectos de
superficie, sopladuras y deformaciones de la pieza obtenida.
Determinación del contenido de humedad.
Cuando la tierra no contiene aglutinantes ni sustancias volátiles, se
determina la humedad secando 50 Gr de tierra en una estufa a 100ºC. Si Ph
es el peso de la tierra húmeda y Ps es el peso de la tierra seca, la humedad
porcentual será:

100% X
Ps
PsPh
H
−
=
a)Para proceder al secado se usan estufas con termostato para la regulación
de la temperatura ó lámparas eléctricas, pudiendo utilizarse secadores de
rayos infra-rojos para acelerar el proceso.
b)Para la determinación rápida de la humedad contenida en una tierra se
emplea frecuentemente el aparato llamado “higro-meter”, representado
esquemáticamente en la figura.
Para la ejecución del ensayo se introduce en el cuerpo del higro – meter 50
Gr de tierra húmeda conjuntamente con una ampolla de carbonato de calcio

(C2ca), se cierra el higro – meter y se lo agita para que se rompa la ampolla
de vidrio de contiene el carburo de calcio y reaccione con el agua de la
tierra dando acetileno ( C2H2) aumentando la presión dentro del recipiente.
Al ser la presión final que marca el instrumento proporcional al acetileno
producido y este es a su vez función de la humedad contenida en la tierra.
Este instrumento es de lectura directa, es decir marca el contenido de
humedad ( en función de la presión de acetileno).
C) Ensayo de permeabilidad:
La permeabilidad es la propiedad física de un molde ó noyo que
permite el paso de un cierto volumen de gas a través de él. Basándose en
esto se toma como índice de permeabilidad la cantidad de aire que atraviesa
una sección de 2 pulgadas por 2 pulgadas en un tiempo de 1 minuto y con
una presión de 1 Cm de agua.
El volumen de aire que atraviesa la probeta es directamente proporcional al
índice de permeabilidad “ i ”, a la presión P, a la sección S y al tiempo T,
siendo inversamente proporcional a la altura h
TSP
hV
i
h
TSPi
V
..
....
=⇒=
La permeabilidad es una de las más importantes propiedades de las tierras
de moldeo. Los defectos más comunes en moldes poco permeables son:
Gases ocluidos en el metal
Moldes incompletos
Porosidad superficial
En moldes excesivamente permeables el defecto fundamental es que la
superficie de la pieza presenta un aspecto exterior granulosos. Es muy
importante la relación humedad, granulometría, permeabilidad.
Procedimiento para su determinación:
1)Confección de la probeta:
El método estandarizado por AFS utiliza una probeta cilíndrica de
dimensiones y grado de compresión pre establecidos, que con un
compactador de probeta, esquematizado en la figura y cuyas principales
características son:
Peso del contrapeso: 14 Lbs ≅ 6,350 Kgr
Peso del vástago y contrapeso: 17 Lbs ≅ 7,9383 Kgr
Altura de caída: 2 Pulgadas = 50,8 mm

La probeta se prepara de la siguiente forma
• Se mezcla 150 a 190 Gr de tierra de moldeo con 5 ó 6 % de agua en
volumen.
• Se introduce la tierra en el aparato.
• Se apoya el émbolo sobre la tierra, que recibe así una primera
compresión debido al peso del embolo y contrapeso
• Se gira la manivela, la cual levanta el contra peso (por medio de una
leva excéntrica) y cuando dicha leva libera el contrapeso, este cae
libremente desde una altura de 2 pulgadas, comprimiendo la tierra.
Esta operación se repite tres veces.
• Se debe controlar la altura de 2 pulgadas
• Se extrae la probeta de tierra compactada, ya que se va a utilizar para
la determinación de las propiedades mecánicas.
Medición de la permeabilidad.
Para la medición se utiliza un permeabilímetro, que esta formado por un
recipiente cilíndrico conteniendo agua, en la que se sumerge una
campana invertida cargada con un contrapeso pre establecido para
comprimir el aire de su interior. Sobre la generatriz de la campana hay
tres señales que marcan o, 1000, 2000 Cm3
de aire respectivamente. El
contenedor de la probeta se apoya una cápsula conteniendo Hg, con lo
que queda asegurada su hermeticidad.
El procedimiento es el siguiente:
Se coloca la llave ( 4 ) en posición de permitir la entrada de aire
exterior al interior de la campana ( al elevarla). Se mantiene esta
posición hasta que queda descubierta la marca cero ( 0).
Se cierra la llave (4).
Se coloca la probeta en el contenedor (6), y este se apoya en la
cápsula (7).
Se gira la llave (4), poniéndola en posición de comunicar la
campana (2) en el contenedor (6). La campana irá descendiendo a
medida que el aire atraviesa la probeta.

Se mide con un cronómetro el tiempo que tarda la campana en
descender desde la línea de cero hasta la marca de 2000, es decir es
el tiempo que tarda en pasar 2000 Cm3
a través de la probeta. Al
mismo tiempo se toma nota de la presión (p) indicada en el
manómetro (8)
D) Ensayos Mecánicos
Ensayo de resistencia a la compresión en verde ( RCV)
Se utiliza para las tierras de moldeo, ya sea naturales ó sintéticas.
Este ensayo nos permite conocer si el molde va a soportar la presión
metalostática sin deformarse y los movimientos de los moldes en la cancha
de moldeo.
Procedimiento:
La probeta usada es la misma del ensayo de permeabilidad. El equipo
debe registrar continuamente las cargas que soporta las probetas hasta el
momento de su rotura. Midiéndose la carga en Lb/pul2
o Gr/Cm2
.
Unos de los equipos más difundidos es el “DIETERT” que se describirá a
continuación:

Consta de 3 partes: a)Soporte
b) Brazo pendular con contrapeso
c)Tercer brazo que empuja y levanta a (B).
La probeta de tierra se posiciona en o, entre dos placas ( S1 que hace de
soporte y S2 que hace de placa compresora).
Al accionar una manivela fija a un piñón que engrana en la cremallera
semicircular, se produce el levantamiento gradual del brazo C que soporta
la probeta, por intermedio del cual, se levanta el contrapeso ( B) de modo
que la componente tangencial del peso va comprimiendo la probeta hasta
romperla.
El resultado de estos ensayos se obtiene como promedio de tres muestras,
considerando no válido el ensayo que presenta una diferencia de 10% entre
los demás.
Para tierras seca o estufadas se aplica el mismo procedimiento con la sola
diferencia, según las normas AFS, de que la carga se aplique con una
velocidad de:
• 30 ± 5 psi/min para tierras en verde
• 140 ± 5 psi/min, para tierras estufadas.
Ensayo de resistencia al corte ( cizallamiento)
Procedimiento:
Se usa una probeta semejante a la usada en el ensayo de
permeabilidad, usándose dos platos especiales ( ver figura) que se
colocan en el aparato DIETERT del ensayo anterior. Se posiciona la
probeta y se le aplican fuerzas que ocasionarán según la forma de los
platos, una tensión de corte. La resistencia al corte se lee en la escala del
aparato que aplica las fuerzas.

En general, la resistencia al corte de una tierra de fundición es de
alrededor de una tercera parte de la de compresión.
Ensayo de resistencia a la flexión
Procedimiento:
En las arenas en verde es prácticamente nula esta propiedad. Se usa
una probeta rectangular de dimensiones normalizadas (170 x 22,4 x 22,4
mm). Se utiliza el mismo compactador de los ensayos anteriores, pero se le
cambia la cabeza compactadora circular por una rectangular. Se compacta
la probeta sobre dos apoyos especiales en el aparato DIETERT de
determinación de resistencia y se lee en la escala del aparato la resistencia a
la flexión.
En el caso de que el aparato de medición no diera directamente la
resistencia a la flexión ( Rf), se utilizará la siguiente fórmula
33
.
2
36..
a
lf
a
lF
W
Mt
Rf ===
Si l = 15 Cm
a=2,24 Cm
Entonces Rf =2F Kg/Cm2

Ensayo de resistencia a la tracción
Procedimiento:
En procesos de moldeo con arenas aglomeradas con resinas ( ne frío
o en caliente) o con silicato de sodio, se utiliza este ensayo para darnos una
idea de sus propiedades mecánicas para soportar el embate del metal
líquido, la presión metalostática , el arrastre de arena y el manejo de los
moldes ya fraguados. Se usa una probeta de forma y dimensiones
estandarizadas, teniendo una forma de 8, siendo su sección media de 22,4 x
22,4 mm, construida con el mismo compactador usado en los ensayos
anteriores, con tres golpes . El juego de probeteros se muestra en la figura
a.
Se coloca la probeta entre dos mordazas especiales y por medio del equipo
DIETERT , u otro similar ,se determina la resistencia a la tracción. Figura
b.

2
22
/2,
24,2
CmFKgo
F
a
F
R ===
Ensayo de Dureza
Procedimiento:
Se utiliza fundamentalmente en los moldes realizados con tierras
naturales ó sintéticas, este método da una rápida idea de la resistencia del
molde de soportar la presión y erosión del metal fundido. Se determina a
través de la resistencia del molde a ser penetrado por una bolilla esférica
que incide normalmente a la superficie. La dureza se mide directamente
sobre el dial del aparato que está graduado de 0 a 100. cada unidad de
dureza corresponde a la penetración en una milésima de pulgada ( 0,00254
Cm), es decir una dureza de 1 tomada en un molde corresponde a 1/10 de
pulgada de penetración.

Ensayo de refractariedad
Recordemos que la refractariedad es la propiedad de un material de resistir
altas temperaturas sin ablandarse ni fundirse, de allí la necesidad de
conocer su punto de sinterización. AFS distingue dos puntos de
sinterización que indican distintos grados de sinterización
Procedimiento:
El dispositivo a utilizar consta de una cinta de platino que trabaja
como conductor, recibiendo corriente a través de una resistencia variable
para ir graduando su temperatura. Esta cinta está adaptada de manera de
apoyar sobre la probeta, similar a la utilizada en el ensayo de permeabilidad
( en su cara curva) y producir una presión de 170 Gr. Este conjunto está
ubicado en un receptáculo oscuro y constará de un pirómetro óptico para
obtener las mediciones de temperaturas.
Punto A
Se seca la probeta por una hora a 100 – 110ºC y se la coloca en la cinta de
platino con el pirómetro óptico dirigido a su centro. Se fija la temperatura
y se alcanza a ella, teniendo en cuenta la corrección que se debe hacer
según las recomendaciones de AFS, en 30 seg. La cinta estará en contacto
con la probeta por 4 minutos, luego se deja enfriar 15 segundos y se retira
la cinta. Si en ella queda adherida parte de la arena en forma de v se debe
repetir el procedimiento a 25ºC menos. Si no queda en forma de V se
repetirá el procedimiento a 25 ºC más.
La más baja temperatura real a la cual la cinta de platino arranque una V
bien definida, luego de levantarla 15 segundos después que hayan pasado
los 4 minutos de calentamiento, es el punto “A” de sinterización.
Punto B

El ensayo se conduce de la misma manera que para el punto A con la sola
diferencia de que la cinta se separa enseguida de cortar la corriente
eléctrica. El punto b es la más baja temperatura a la cual se observan trozos
de fusión con 20 o 30 aumentos.
Otra forma de juzgar, eliminando el error de la observación visual, es el
esfuerzo necesario para desplazar a la arena adherida a la cinta de platino.
Para ello se debe poseer un rascador mecánico de cualquier diseño para que
aplique una presión de 4 onzas al filo de la cuchilla rascador durante la
operación. Esta debe estar inclinada 140º respecto al plano de la cinta. De
esta manera el punto B de sinterización será la más baja temperatura a la
cual el rascador descripto debe efectuar 50 pasadas para separar toda la
arena adherida a la cinta.
Con esta última metodología suele aparecer otros errores. Si la arena en
lugar de grano a grano, sale por racimos, se deberá observar con la lupa ya
que el error del método es muy grande.

Ensayo de fluidez
Es la capacidad de los granos de arena de moverse en cualquier
dirección cuando se los presiona en un recinto cerrado.
Esta propiedad es importante durante el moldeo, ya que es necesario una
buena transmisión de la misma para que la tierra pueda ir a todos los
rincones del molde, alcanzando una buena cohesión en todas las paredes
del molde para obtener un buen copiado de los detalles del modelo.
Procedimiento:
Hacer en el probetero de permeabilidad una probeta estándar a
3 golpes.
Determinar la permeabilidad y la resistencia a la compresión
en verde.

Hacer una probeta de permeabilidad igual a la anterior pero a
10 golpes.
Determinarle la permeabilidad y la resistencia a la compresión
en verde.
Definimos: a) Ventabilidad:
golpesprobetadadpermeabili
golpesprobetadadpermeabili
.10..
.3..
b) Ligabilidad:
golpesarcv
golpesarcv
.3..
.10..
c) Fluencia:
( )
2
.1 dligabilidaadventabilid

Manejo del gráfico:
Para hallar la ventabilidad se hace permeabilidad a 3 golpes/
permeabilidad a 10 golpes = a, con “a” entramos en el eje de las abscisas
hasta cortar la curva y de ahí sacamos en ordenada el porcentaje de
ventabilidad.
Para hallar la ligabilidad se hace igual que para hallar la ventabilidad
entrando con RCV a 10/RCVa 3=b.

Otra forma:
Se prepara una probeta estandarizada a las ya utilizadas en el ensayo de
permeabilidad y se la coloca en el probetero especial de la figura
Este probetero es colocado en el compactador dándosele tres golpes y
quedando así la parte inferior de dicho probetero a medio llenar,
dependiendo esto de su fluidez.
Para el caso de tener una fluidez del 100% ó de 0 se obtendrán los
siguientes resultados.
De aquí que la fluidez encontrada para esta arena será
100
21
1
x
hh
hh
F
−
−
=
h1: en distintas probetas encontradas con (F =0) = 50 mm
h2: en distintas probetas evaluadas ( F = 100) = 35 mm
3550
50
−
−
=
h
F

Ensayo de Durabilidad o vida
Es la propiedad de la tierra de conservar sus propiedades a través de
sucesivas operaciones de fusión. Existen dos métodos para evaluarlos ,
aunque no están estandarizados
1.Método de coladas sucesivas:
Consiste en preparar pequeños moldes con la tierra a ensayar y
colarlos, luego se repone la humedad de la tierra y se la ensaya. Se repite la
operación, registrando los valores y viendo como varía con el correr de los
ensayos ,hasta llegar al punto de que la bentonita no ligue más a la tierra.
2.Método de secado en estufa:
Este método es similar al anterior solo que se calienta la muestra de
tierra a 427ºC ( 800ºF), enfriando a temperatura ambiente. Se calienta
aumentando la temperatura de 94ºC ( 200ºF) por vez hasta alcanzar los
760ºC ( 1400ºF).
Luego se le adiciona agua para devolver la humedad de la tierra se mide la
resistencia a la compresión en verde, comparándola con la inicial. De dicha
comparación surge la pérdida de la resistencia.
Conclusión
Es importante destacar que el exhaustivo control de las arenas y
tierras de moldeo permiten mejorar la calidad, disminuir los rechazos por
defectos superficiales, minimizar los costos de terminación como ser:
granallado, arenado, soldadura, rebabado y en el peor de los casos refundir
la pieza.

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