Jornadas SAM 2000 - IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, Agosto de 2000, 109-114

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CARACTERIZACIÓN DE MOLDES CERÁMICOS AGLOMERADOSCON SILICATO DE SODIO PARA DISTINTOS ESPESORES DECÁSCARAS

O.E. Oviedo, N.G. Cotella, P.G. Varela, O.A. Radevich y R.G. Kohl

Universidad Nacional de Río Cuarto - Facultad de IngenieríaRuta Nacional 36 Km. 601 - 5800 Río Cuarto (Cba.) - Argentinaemail: ooviedo@ing.unrc.edu.ar

RESUMENLa fundición de precisión es un método de producción de piezas coladas, con excelente

precisión dimensional y terminación superficial. La utilización como ligante en los moldescerámicos del Silicato de Sodio es una nueva tecnología incorporada a la construcción deestos. 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 losobjetivos 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 eldesempeño del molde en servicio, proporcionándole a este la capacidad para soportar lapresión metalostática, el choque térmico y permitir la evacuación de los gases producidos ensu interior durante el llenado.

La deficiencia en alguna de estas propiedades lleva a malograr la integridad de laspiezas fundidas y se tornan críticas al utilizar canales de colada de mayor altura, que requierendistinto 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 moldesutilizados en fundición de precisión, aglutinados con Silicato de Sodio, variando el espesor dela cáscara, propendiendo a asegurar la calidad. Se concluye que un mayor espesor incrementala resistencia mecánica, baja la permeabilidad, y aumenta el costo del proceso de fabricación.

Palabras clavesFundición de precisión, Cáscara, Investment Casting, Permeabilidad, MOR

INTRODUCCIONMediante 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 yestrechas 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 elespacio dejado por el modelo con metal fundido. Posteriormente a su solidificación se eliminael molde y se obtienen las piezas terminadas (B.I.C.T.A [2]). El molde sin calcinar deberásoportar la presión del material del modelo al extraerlo. Una vez calcinado, el molde tiene que

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contrarrestar el choque térmico, la presión metalostática y la masa del metal fundido. Envirtud de ello y teniendo en cuenta la variación del espesor de la cáscara en función delnúmero de capas, es fundamental el control de la resistencia del molde sin calcinar ycalcinado, a fin de lograr valores adecuados para que no se vea comprometida su integridad ysus dimensiones.

Durante el llenado de los moldes es necesario desalojar el aire contenido en ellos yevacuar los gases que se puedan desprender del metal a fin de que no queden ocluidos en lapieza. 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 lacalidad de las piezas obtenidas. La cáscara cerámica está compuesta por un barro aplicado ensucesivas capas alternando con material de relleno hasta lograr un molde de espesoradecuado.

El barro refractario está construido por dos fases, una sólida y una líquida. La faselíquida está compuesta de aglutinantes, tensioactivos y antiespumantes (Metals Handbook[4]).

El aglutinante provee sol de sílice que por acción química y térmica cohesiona losgranos 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 silicatode etilo, (B.I.C.T.A., 1984 [2]). El presente trabajo pretende realizar una valoración de losmoldes 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, comoconsecuencia de la variación del espesor de las cáscaras.

PARTE EXPERIMENTALLos 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 deprobetas destinadas a realizar dichos ensayos, fueron confeccionados mediante elprocedimiento empleado normalmente en el proceso de fundición de precisión, previamentedeterminado 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, aumentandode a una capa por cada grupo de probetas a ensayar.

Para la confección de las probetas de distintos espesores, destinadas a los ensayos con elobjeto de determinar la resistencia mecánica a la flexión (MOR) (Modulus Of Rupture), seutilizaron modelos de cera de 70 mm x 30 mm x 10 mm, fabricados por inyección en matrizmetálica. De cada uno de los modelos, se obtenían dos probetas cerámicas de un mismoespesor. Como modelos para la confección de probetas de distintos espesores, destinadas a ladeterminación de la permeabilidad, se emplearon pelotas de tenis de mesa, adosadas a tuboscerámicos, sobre los cuales se construyó la cáscara cerámica.

Por ende, la secuencia de operaciones utilizada para la construcción de las muestras esla 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 decirconio con índice de fineza según American Foundrymen’s Society (AFS) 110 y chamotecon granulometría # 12/70.

2.- Fraguado: luego de estucar cada una de las capas aplicadas, se procedió al fraguado

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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 120horas,

4.- Calcinado: Luego de realizada la operación de secado se separaron las muestras queserían ensayadas sin calcinar de las que se ensayarían calcinadas. La operación de calcinaciónfue realizada a 900°C por espacio de 20 minutos en un horno electrico tipo mufla. Luego dealcanzar la temperatura establecida las probetas fueron enfriadas en el propio horno en formalenta para evitar la creación de tensiones internas que pudieran alterar los resultados.

Determinación de la permeabilidad de las probetas de distintos espesoresLa permeabilidad de las muestras calcinadas de distintos espesores, se determinó a

temperatura ambiente, utilizando la técnica definida por AFS para masas de moldeo. Dichasdeterminaciones se realizaron mediante un Permeámetro Digital. Los valores representados enel gráfico (2) fueron obtenidos a partir de la siguiente ecuación:

PbVs Q D

P A=

. ..

(1)

Pb = PermeabilidadVs = 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 espesoresA 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 conmontaje para flexión, apoyos flotantes y carga aplicada en tres puntos, siendo la luz entreapoyos de 50 mm. Los valores de Resistencia a la Flexión (MOR), para las muestras sincalcinar y calcinadas son mostrados en el gráfico (3) y fueron obtenidos a partir de lasiguiente ecuación:

Resistencia a la Flexión (MOR)

23

2bd

PLM = (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].

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Todos los ensayos fueron realizados en una sala de moldeo acondicionada a 20 / 21ºC y50 / 55 % de humedad relativa.

RESULTADOSEn 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 de4,8 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

Espe

sor [

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 lascáscaras, 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 10Nº DE CAPAS

PERM

EAB

[m2

x E-

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 cualarrojó que los errorres experimentales están normalmente distribuidos con media cero yvarianza constante la cual fue estimada a partir de los valores medidos (Milton & Arnold [7]).

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Considerando un molde de ocho capas, se hallaron estimaciones para los valores medios y unintervalo de confianza para estos parámetros al 95 %, lo cual arrojó:

Espesor = 7.95 ± 0.20 mm. con una aproximación de un polinomino de grado dosPermeabilidad = 3.62 ± 0.76 m2 x E-13 con una aproximación de un polinomino de grado dosMOR sin calcinar = 5.86 ± 0.29 MPa con una aproximación de un polinomino de grado dosMOR calcinado = 8.31 ± 1.45 MPa con una aproximación de un polinomino de grado tresajustándolos en todos los casos por el método de mínimos cuadrados.

DISCUSIONComo 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 delos moldes tal como se muestra en el gráfico 1.

En el gráfico 2, si bien se observa que la permeabilidad desciende al aumentar elnúmero de capas, este descenso presenta un cambio de pendiente en la capa N° 8, a partir dela cual, su variación es mínima.

De la observación de los resultados obtenidos en el gráfico 3, surge que los valores deresistencia del molde se incrementan a medida que aumenta el espesor.

Los valores obtenidos en el mismo gráfico, indican que la resistencia (MOR) de losmoldes sin calcinar, presenta un incremento que no es proporcional a la resistencia (MOR) delos moldes calcinados. Esto se debe a que al incrementar el número de capas, se dificulta laeliminación de la humedad del molde, dando como consecuencia un crecimiento de laresistencia menos significativo.

Para las muestras calcinadas, la resistencia mecánica se eleva, presentando uncrecimiento de aproximadamente el 20% entre las capas N° 7 y N° 8, para luego continuarcon un crecimiento suave hasta la capa N° 10, tal como se observa en el gráfico.

0123456789

10

5 6 7 8 9 10

Nº DE CAPAS

MO

R [

MPa

]

MOR SIN CALCINAR MOR CALCINADO

Gráfico 3. Variación de la resistencia mecánica (MOR) con el número de capas.

CONCLUSIONESDe acuerdo a los valores obtenidos se concluye que el procedimiento empleado posee la

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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.

REFERENCIAS1. 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,

19843. 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’97y 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, PortoAlegre, Brasil. 151-163, 1993.

7. Milton, Arnold. Probability and Statistics in the Engineering and Computing Sciences,McGraw - Hill, 1986.