Hoja de calculo - Dialnet · de piezas fundidas y sus propiedades dependen, en gran medida, de las...

INTRODUCCIÓN

Las técnicas de fabricación depiezas fundidas han sido un artetransmitido de generación en

generación hasta hace relativa-mente pocos años. Sin embargo,las crecientes exigencias y reque-rimientos en cuanto a las propieda-des tecnológicas de los materialesfabricados han supuesto la apli-cación generalizada de métodoscientíficos con el fin de optimizar los procesos de pro-ducción y garantizar el control de las características delas piezas obtenidas.

Actualmente, las piezas de fundición de hierro repre-sentan una parte muy importante en el desarrollo denumerosos sectores como son la automoción, máquinaherramienta, generadores eólicos, componenteshidráulicos, etc. Por ello, el sector trabaja de maneracontinua en la mejora del conocimiento de cada una delas etapas que componen el proceso de fabricación, ala vez que se aplican metodologías tecnológicamenteinnovadoras. Esta labor debe repercutir masivamenteen la minimización de las piezas defectuosas y la reduc-ción efectiva de los costes del proceso. En esencia, elproceso de fundición es muy sencillo, consiste en con-formar una huella en dos semimoldes de arena que alunirse permiten definir una cavidad exactamente igual ala pieza que se desea obtener. Para ello, se requieredisponer de un modelo que es una réplica de la pieza yse puede utilizar tantas veces como sea necesario si esconvenientemente utilizado, manipulado y conservado.

Cuando se afronta la fabricación de piezas con impor-tantes dificultades morfológicas (por ejemplo, los hue-cos internos presentes en bloques de motor), es nece-sario utilizar elementos auxiliares denominadosmachos, los cuales se fabrican con arenas mineralesaglomeradas químicamente. La utilización de estos ele-mentos supone un importante esfuerzo de diseño yensamblaje en el interior de los moldes con el fin dereducir las operaciones de proceso [Granlund, 1999a;Sertucha y Suárez, 2004]. Una vez construido el moldede arena, éste se llena con el metal fundido a través deunos conductos bien definidos en el mismo que seconocen con el nombre de bebederos, canales de dis-tribución y ataques de colada. Tras introducir el metal

líquido, es decir, colada la pieza, serequiere dar tiempo al proceso desolidificación para poder desmol-dearla. Es importante conseguir eldesmoronamiento eficaz del moldede forma que la pieza pueda sepa-rarse fácilmente de la arena que larodea y aumentar así la productivi-dad del proceso de fabricación.

De este modo, la elaboración de losmoldes y machos es uno de los

principales elementos dentro del proceso de fabricaciónde piezas fundidas y sus propiedades dependen, engran medida, de las características de la arena utilizadaen las operaciones de moldeo (elaboración de losmoldes) y posterior colada [Granlund, 1999b]. Teniendoen cuenta todo ello, no es posible utilizar cualquier tipode arena para su aplicación en fundición, se debencumplir una serie de requerimientos entre los que sepueden destacar:

· Ser fácilmente moldeable, de manera que se adapte perfectamente a las formas del modelo y las repro-duzca fielmente.

· Presentar una buena resistencia a la erosión produci-da por el desplazamiento y el impacto del metal líqui- do en el interior del molde.

· Resistencia a los ataques químicos que pueden pro-ducirse entre el molde y el metal líquido.

· Refractariedad, es decir, ofrecer una adecuada resis-tencia a las altas temperaturas.

· Poseer buena permeabilidad para permitir la evacua-ción de los gases que se generan durante la coladadel molde y del aire que ocupa inicialmente la cavi-dad.

· Buena capacidad para disipar la energía térmica del metal líquido y favorecer así la correcta solidificación de las piezas.

· Ser colapsable, es decir, presentar una buena capaci-dad de disgregación.

· Generar buenos acabados superficiales en las pie-zas.

· Ser reutilizable, de manera que una vez regeneradapueda moldearse nuevamente.

Existen diversas técnicas de moldeo que utilizan arenaen su proceso, sin embargo, la más utilizada en elmundo es la de moldeo en verde. Antiguamente losmoldes de arena se secaban en estufas después del

Centro de Fundición AZTERLAN,Saibigain 10,

E-48200 Durango, Bizkaia.E-mail: [email protected]

Jon Sertucha Ramón Suárez

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MATERIALES INORGÁNICOS APLICADOS EN LA FABRICACIÓN...

materiales inorganicos.qxd 26/09/2005 9:37 PÆgina 17

desmodelado (separación molde-modelo), eliminandopor completo el agua. Posteriormente, se empezaron autilizar los moldes sin el proceso de secado, de ahí ladenominación de técnica de moldeo en verde. Parapoder conseguir las propiedades deseadas, es nece-sario cohesionar los granos de arena con ayuda de sus-tancias que ejerzan esta función. Por otro lado, es nece-sario mantener aislada la superficie de los moldes conel fin de evitar reacciones con el metal fundido. Comoconsecuencia de ello, las mezclas de arena en verdeutilizadas en fundición están constituidas por los si-guientes materiales:

· Arena lavada, generalmente constituidas por granosde sílice (~80%).

· Material aglutinante, una arcilla cuya misión es unir los granos de sílice (9-10%).

· Agua, cuyo objetivo es activar la función de la arcilla (3-4%).

· Materiales carbonosos (4-6%). Este constituyente sesustituye por otros aditivos en el caso de la fabricación de piezas de acero para evitar recarburaciones delmetal.

En el caso del moldeo químico y la fabricación demachos, las mezclas de arena están constituidas por laarena base (99-98%) aglomerada con resinas químicasde diversa índole (1-2%). Como primer paso en la ela-boración del molde, es necesario seleccionar los mate-riales adecuados en función del tipo de aleación que sedesee colar y del método de moldeo elegido.Seguidamente, los materiales se deben mezclar demanera adecuada obteniéndose un producto apto parael moldeo (compactación de la arena) y la posterior fa-bricación de las piezas.

En general, la fabricación de piezas de gran tamaño(entre 10 y 15 t) requiere la utilización de moldes conelevadas resistencias durante la colada. Un caso similarocurre con los machos, los cuales habitualmente configu-

ran secciones estrechas y formas complejas. En estoscasos, los granos de arena se aglomeran con resinasquímicas que, tras el posterior fraguado, confieren altadureza y resistencia a los sistemas compactados. Sinembargo, en la gran mayoría de los casos los moldesutilizados en fundición se fabrican con mezclas de arenaaglutinadas con arcillas minerales [Heine y Florey, 2001]debido al menor coste e impacto ambiental del proceso.

Las propiedades físicas de las mezclas de arena uti-lizadas en la fabricación de moldes pueden ser contro-ladas a través de ensayos de laboratorio [Sertucha ySuárez, 2004]. Sin embargo, estas características nosólo son consecuencia del tipo de materiales utilizados,es decir, el tipo de arena, las características del agluti-nante, etc. El proceso de mezcla (tiempo y método demalaxado o mezclado) y el tipo de proceso de fabri-cación (relación arena-metal, tipo de aleación metálicacolada en los moldes, regeneración de la arena me-diante el aporte de machos y/o arena nueva, efectividadde los sistemas de reacondicionamiento de la arenausada, etc.) son aspectos también muy importantes enel comportamiento de los moldes durante la colada[Shih y Zong, 1999]. De este modo, las mezclas dearena inciden directamente en la calidad de las piezas,tanto como el metal utilizado [Granlund, 1999b]. Encualquier caso, se trata de materiales necesariamentereutilizables en el circuito de fabricación, por lo que elconocimiento y el control de las características de lasmezclas de arena, antes y después de la fabricación delas piezas, es un aspecto fundamental a la hora de opti-mizar los procesos industriales de fundición. La Figura1 muestra las diferentes etapas por las que pasan lasmezclas de arena dentro de un proceso de fabricación[Pickrell et al., 1999].

Aunque en la elaboración de las mezclas de arena paramoldeo en verde intervienen al menos cuatro tipos dife-rentes de materiales, en este trabajo se analizan lascaracterísticas de los dos componentes inorgánicos

Figura 1. Ciclo general de la arena en un proceso de fundición.

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más importantes, es decir, la arena base y el aglutinantemineral que es activado con la humedad adecuada. Enel moldeo químico y/o la fabricación de machos, la con-centración de la arena base es aún mayor en las mez-clas, por lo que sus propiedades son más determi-nantes si cabe en las características de los moldespreparados.

2. TIPOS DE ARENA UTILIZADOS EN FUNDICIÓN

El principal motivo por el que se utilizan arenas mi-nerales en la fabricación de los moldes de fundición esel carácter refractario de estos materiales. Es necesarioemplear un material que resista las altas temperaturasde colada del metal líquido sin que ello suponga modifi-caciones físico-químicas tanto en los moldes como enlas piezas finalmente obtenidas tras la solidificación.Por otra parte, la utilización de moldes de arena per-mite, entre otros aspectos ya mencionados, minimizarel tiempo destinado a las operaciones de desmoldeo,es decir, la separación de las piezas ya sólidas y losmoldes que las rodean.

Dado que las mezclas de arena para moldeo estánconstituidas en su gran mayoría por la arena base(aproximadamente el 80%), las propiedades físicas yquímicas de dicho material definen principalmente lascaracterísticas de los moldes utilizados. En este punto,es necesario recordar que se trata de un material he-terogéneo, es decir, las arenas no constituyen unamateria continua sino un empaquetamiento de granoscon diferentes formas y tamaños, por lo que su mor-fología física adquiere una relevancia especial[Brümmer, 2001]. Existe una gran diversidad de arenascon aplicación en el moldeo de fundición que cumplenen mayor o menor medida las exigencias básicasexpresadas en la introducción. Lógicamente, dentro deesta gran variedad unas tienen mayor aceptación o unautilización más extensiva, mientras que otras son exce-lentes para aplicaciones específicas y por tanto más

restringidas. En la Tabla 1 se resumen algunas carac-terísticas de las arenas utilizadas habitualmente enfundición [Sertucha y Suárez, 2004].

Aunque comercialmente se dispone de otros tipos dearenas tanto minerales como sintéticas, las incluidasen la Tabla 1 se pueden considerar como las habit-uales en los procesos de fundición. Concretamente,la arena de sílice es la de mayor implantación en elmoldeo de piezas de fundición. A pesar de que suscaracterísticas no son las que mejor responden a lasexigencias del moldeo, su bajo coste y gran abun-dancia la convierten en la más utilizada. Además,posee otras características que la hacen muy intere-sante como son su elevado poder de compactación yla gran disponibilidad en cuanto a tamaños y/o dis-tribuciones de grano. La utilización de otros tipos dearena que no sea la de sílice está normalmente aso-ciada a la presencia de defectos en las piezas. Estasirregularidades son consecuencia tanto de las carac-terísticas de la sílice (especialmente su alta expan-sión y baja difusividad térmicas) como de la natu-raleza del metal colado en los moldes. En este segun-do caso, se puede destacar la capacidad de contrac-ción del material a lo largo de la solidificación (forma-ción de rechupes) y las reacciones molde-metal (lasílice reacciona fácilmente con aceros de alto con-tenido en manganeso, por lo que en estos casos sesuele utilizar la arena de olivino -[Mg,Fe]2SiO4-).

En la Figura 2, se comparan de forma esquemática lascurvas de dilatación térmica en varios materiales quecomponen algunas de las arenas utilizadas en fundi-ción. El comportamiento mostrado por la sílice indica lapresencia inicial de una transición de fase sólido-sólidoentre las fases cuarzo α y β, seguida por un segundocambio de fase, donde se origina la tridimita -SiO2-como fase estable de alta temperatura. Estas transfor-maciones estructurales en la sílice implican expan-siones bruscas en el material, aspecto que no ocurre en

Tabla 1. Propiedades físicas pertenecientes a las arenas utilizadas en fundición.

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Tipo de arena Sílice Cromita Zirconio Olivino

Composición SiO2 (Fe,Mg)Cr2O4 ZrSiO4-ZrO2 (Mg,Fe)2SiO4

pH 5,5-8,5 7,0-9,5 5,7-6,4 9,2-9,5

daparente (g/ml) 1,5-1,6 2,6-2,7 2,7-2,8 1,7

dmaterial (g/ml) 2,65-2,67 4,30-4,60 3,90-4,80 3,27-3,37

Tfusión (ºC) 1713 2090 2540 1870

Tsinterización (ºC) > 1400 1400 1400 1375

Expansión, 20-1200ºC (%) 1,90 0,60 0,45 1,10

P. calcinación (%) 0,05-0,30 0,02 0,10 1,35

Ce (cal/gºC) 0,26 0,22 0,13 0,22

Difusividad δδ (K/Cp) 6,7 9,3 28,4 17,4


el resto de minerales analizados. Este hecho suponeque los granos que componen la arena de sílice puedenoriginar roturas en los moldes y, consecuentemente,defectos en las piezas (Figura 3) [Meehanite, 1978].Para evitar la utilización de arenas alternativas máscaras y eliminar los defectos provocados por la expan-sión térmica de la sílice, es necesario crear un "colchón"que rodee los granos utilizando los materiales necesa-rios para dotar a las mezclas de características aptaspara el moldeo (arcilla aglutinante, agua y materialescarbonosos).

Otra de las razones principales para la utilización dearenas diferentes a la de sílice es la necesidad de disi-par más rápidamente el calor del metal colado en losmoldes. Las velocidades de solidificación de las piezasdependen tanto de su masa como de la conductividadtérmica de la arena que constituye el molde. Una soli-dificación lenta aumenta el poder de contracción delmetal y, en determinadas ocasiones, favorece la forma-ción de discontinuidades conocidas como "rechupes".Estos defectos pueden invalidar las piezas fabricadas y,entre otros problemas, incrementar los costes de pro-ceso. Las arenas con mayor capacidad para disipar elcalor generado por la colada actúan de sistemas "en-friadores" que ayudan a minimizar los efectos de con-tracción del metal y los defectos que de ello se derivan.La arena de cromita -(Fe,Mg)Cr2O4- es la más utilizadaen este sentido, tanto en la fabricación de machoscomo de moldes. Sin embargo, su elevada densidad ysu poder contaminante desaconseja su utilización,

salvo en casos muy especiales. En la Figura 4 se com-paran las curvas térmicas de solidificación pertenecien-tes a una esfera de acero líquido colada en moldes fa-bricados con diferentes tipos de arena aglomeradaquímicamente.

Los materiales con más facilidad para difundir el calordel metal colado originan curvas de solidificación máscortas en el tiempo. Lógicamente, el molde metálico esel que consigue enfriar más rápidamente el metal líqui-do colado en su interior. En este caso, las técnicas deanálisis térmico permiten evaluar la conductividad tér-mica de los moldes durante la solidificación y posteriorenfriamiento del metal y, por tanto, de las piezas fabri-cadas. Independientemente de la naturaleza químicade la arena, existen otros factores morfológicos quejuegan un papel crucial en las propiedades de losmoldes: la forma, tamaño y distribución de los granosque forman parte de dichos sistemas. Puesto que unaarena de moldeo es un material compactado y he-terogéneo, sus propiedades físicas y tecnológicas no secorresponden propiamente con las de la sílice. Por ello,es necesario tener muy en cuenta las característicasmorfológicas de las unidades estructurales que la com-ponen (granos). Adicionalmente, el grado de com-pactación o empaquetamiento alcanzado también debeser considerado a la hora de fabricar moldes aptos parala colada del metal líquido.

En este caso, son tres los factores morfológicos queafectan al tipo de grano presente en las arenas defundición: la forma, el tamaño y la distribución. LaFigura 5 muestra una clasificación de los granos aten-diendo tanto a su redondez como a la esfericidadrequeridas desde un punto de vista industrial [Sertuchay Suárez, 2004]. Sin embargo, y a efectos prácticos,habitualmente las arenas se clasifican en"redondeadas" y/o "angulares".

La caracterización de las arenas en función del tamañoy la distribución de sus granos llevan a definir el deno-minado "índice AFS". Se trata de un parámetro que

Figura 3. Defectos provocados por la expansión de los granosde sílice (dartas).

Figura 2. Expansión dimen-sional en materiales constitu-tivos de las arenas utilizadasen fundición.

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determina el tamaño medio de los granos en función desu tamaño y el número de éstos. Para ello, las muestrasde arena deben ser sometidas a una clasificación gra-nulométrica en el laboratorio con ayuda de una colum-na de tamices con diferentes tamaños de abertura.Teniendo en cuenta la masa de arena total (Mtotal) y laque queda en cada uno de estos tamices (Mtamiz), esposible calcular el índice AFS según la expresión (1):

Índice AFS = Σ(Mtamiz × F/Mtotal) (1)

El factor F representa el número de aberturas por pul-gada lineal que existe en cada tamiz utilizado en la ca-racterización de la arena. De este modo, el índice AFSrepresenta el valor medio ponderado de este factor paraun tamiz hipotético, cuyo tamaño de abertura en la mallasería igual al tamaño medio de grano de la arena analizada.Además de la caracterización morfológica de las arenasbase, existe una serie de parámetros de control utiliza-dos habitualmente por los proveedores de arenas defundición y que deben acompañar a cada lote emplea-do en la fabricación de las mezclas para el moldeo.Estos controles son imprescindibles para el fundidor y,en numerosas ocasiones, son útiles para detectar el

origen de determinados defectos aparecidos en las piezasfabricadas. Los más importantes son los siguientes:

· Contenido en agua (humedad de la arena).· Composición química (fundamentalmente los conteni-

dos de SiO2, Fe2O3, Al2O3, CaO y MgO).· Pérdidas por calcinación (contenido en materiales

combustibles).· Punto de sinterización (estabilidad térmica de los gra-

nos).· Demanda de ácido (capacidad para reaccionar con

sustancias ácidas).· pH.

Los dos últimos parámetros son especialmente impor-tantes en el caso de las mezclas de arena aglomeradasquímicamente. En estos casos, pueden producirse reac-ciones entre la superficie de los granos y las resinas quími-cas que los envuelven o los productos catalizadores uti-lizados para el fraguado final de las mezclas. La desacti-vación de cualquiera de estas sustancias anula sus fun-ciones y por tanto se pierden las propiedades de losmoldes. En la Tabla 2 se especifican algunos de losrequerimientos establecidos en varias arenas comer-

Figura 4. Análisis comparativo de losprocesos de solidificación y enfriamientoen diferentes arenas.

Figura 5. Clasificación delos granos de arena en ba-se a su morfología externa.

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ciales de sílice y cromita. Es tarea del fundidor com-probar que la arena utilizada se ajusta a los requeri-mientos de su proceso de producción y vigilar la evolu-ción de las características de este material en cada lotesuministrado.

3. AGLUTINANTES ARCILLOSOSAunque se trata del material mayoritario e impres-cindible en las arenas de moldeo, la arena base por sísola no es útil industrialmente. Es necesario unir oaglutinar los granos con una sustancia que ejerce lasfunciones de "cemento", para poder conformar losmoldes donde se colará posteriormente el metal líquido.La eficacia de este aglutinante influye directamente enlas fuerzas de cohesión que mantienen unidos los gra-nos tras el proceso de compactación y, por tanto, en ladureza y resistencia de los moldes fabricados [Shih yZong, 1999]. En las arenas de moldeo químico, son lasresinas químicas (o en algún caso sales binarias comoel silicato de sodio) las que ejercen la función de unir losgranos cuando se mezclan con los productos cata-lizadores o endurecedores. En estos casos, se habla de"productos aglomerantes" y "mezclas aglomeradasquímicamente". En el caso de las arenas de moldeo enverde (las más utilizadas en los procesos de fundición),la cohesión de los granos de arena se lleva a cabo conayuda de una arcilla mineral mezclada con una deter-minada cantidad de agua [Ripke y Kawatra, 2000]. Eneste sentido, la eficacia del proceso de malaxado y laobtención de un grado de humedad adecuado alfinalizar la preparación de las mezclas son factores críti-cos a la hora de recubrir de manera satisfactoria losgranos, desarrollar adecuadamente las propiedades delas arenas de moldeo en verde y, por tanto, las carac-terísticas de los moldes.

Las arcillas se consideran silicatos de aluminio, pudien-do aparecer en su composición pequeñas cantidadesde otros elementos (principalmente magnesio, hierro,potasio, sodio y calcio). La estructura cristalina de estosmateriales se conoce desde hace relativamente pocotiempo gracias a los estudios realizados con ayuda dela difracción de rayos X y la microscopía electrónica.Sin embargo, los yacimientos de arcillas están constitui-dos por diversas especies de minerales arcillosos quecorresponden a la misma época geológica de forma-ción, junto con las impurezas. Un buen yacimiento dearcilla se caracteriza por el predominio de una solaespecie mineral y por su pureza. La composición de losyacimientos suele ser muy variable y cambia de undepósito a otro. Incluso dentro del mismo depósito exis-ten grandes diferencias de composición entre los distin-tos estratos.

3.1. Estructura química de las diferentesarcillasLas propiedades de una arcilla están directamente rela-cionadas con las características estructurales de loscristales pertenecientes al constituyente principal de lamisma. Estos cristales tienen una morfología laminar,por lo que cuentan con una gran superficie en relacióna su masa. Sus dimensiones estructurales varían enfunción del tipo de arcilla, si bien sus longitudes suelenser inferiores a 2 µm y sus espesores aproximadamentede 0,05 µm. Las redes cristalinas se forman por el api-lamiento de delgadísimas láminas dispuestas paralela-mente entre sí. De este modo, se origina una estructuracapaz de deslizarse en condiciones adecuadas dehumedad y permite desarrollar las propiedades agluti-nantes útiles en los procesos industriales de fundición.Cada uno de estos cristales (o láminas cristalinas) está

Tabla 2. Características en algunos tipos de arenas comerciales.

CaracterísticaL50-60 C55 L80-90 L105-115 Cromita

Apariencia Negra y brillante

Forma de los granos subangular redondeada subangular subangular angular

Humedad (%) < 0,2

Índice AFS 48-60 51-61 77-92 95-115 45-65

Granulometría (%)> 0 ,500 mm0,500-0 ,125 mm< 0 ,125 mm< 20 µµm

≤ 9≥ 87,0≤ 6,5≤ 0,7

≤ 5≥ 90,51,5-4,5≤ 0,4

≤ 6≥ 84,0≤ 2,5≤ 0,9

≤ 8≥ 89,0≤ 5,0≤ 0,9

≤ 2≥ 92,0≤ 5,0≤ 0,5

Demanda de ácido (ml/100 g) ≤ 6 ≤ 5 ≤ 6 ≤ 6 −−−

pH 7-9

Punto de sinterización (ºC) ≤ 1500 ≤ 1450 ≤ 1500 ≤ 1500 −−−

Análisis químico (%)SiO2Cr2O3FeO

≥ 99,0 ≥ 98,0 ≥ 98,5 ≥ 98,5 ≤ 1,544-4823-28

Tipo de arena

Color amarillento y sin grumos (sílice)

< 0,05

5-6

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constituido por agrupaciones tridimensionales de áto-mos de silicio, aluminio, oxígeno, hidrógeno y en menorcantidad de magnesio o hierro, dispuestos según unadeterminada simetría, dando lugar a dos tipos de capascristalinas. En las arcillas, estas capas se unen unascon otras formando bicapas o tricapas que, a su vez, sedisponen paralelamente entre sí dejando espaciosdonde pueden introducirse otras sustancias químicas(moléculas de agua, iones metálicos, etc.). Estas dis-posiciones paralelas generan las láminas que consti-tuyen el cristal macroscópico de una arcilla [Sertucha ySuárez, 2004; Ripke y Kawatra, 2000].

Existen dos tipos de capas cristalinas bien definidos (Ay B) en función del tipo de átomos que las constituyen.Las distintas combinaciones de estas capas son las queoriginan los diferentes constituyentes de las arcillas.Los dos tipos anteriormente mencionados son los si-guientes:

Capas de tipo A:constituidas por iones O2- que sedisponen tetraédricamente alrededor de los cationesSi(IV) (Figura 6).Capas de tipo B:constituidas por ligandos O2- y OH-

que se encuentran unidos a los cationes Al3+ en unacoordinación octaédrica.

En ambos tipos de capas el balance de cargas es neu-tro. Sin embargo, en ellas se producen sustitucionesisomorfas parciales de cationes Al3+ por Mg2+ o Fe2+,por lo que se desequilibra este balance electrostáticoen la capa de tipo B. Lo mismo puede suceder en elcaso de la sustitución del Si(IV) por Al3+ en el caso delas capas de tipo A. De esta forma, en los dos casosaparece una carga negativa global sobre la superficieexterior de estas capas.

Las capas contienen iones O2- (tipo A) o bien OH- (tipoB) no compartidos, situados en su superficie ydisponibles para la unión con otra u otras capas cristali-nas adyacentes. En la naturaleza existen dos formas enlas que puede tener lugar esta unión:

Forma 1: como resultado se obtiene una bicapa AB y esconsecuencia de la unión paralela entre una capa detipo A y otra de tipo B.

Forma 2: en este caso se obtiene una tricapa ABAcomo resultado de la unión paralela de dos capas detipo A con una de tipo B situada entre ambas.

En cualquier caso, estas agrupaciones de capas siguenteniendo una carga total negativa en su superficie exte-rior, debido a la sustitución parcial de los cationes Al3+

y/o Si(IV) situados en los centros de coordinaciónoctaédrica y/o tetraédrica. Teniendo en cuenta las posi-bilidades de unión entre las capas estructurales, existenfundamentalmente tres grupos de minerales arcillosos:los Caoliníticos, los Montmorilloníticos (también lla-madas bentonitas) y los Illíticos (micas). Es muy habi-tual que las arcillas de estos grupos vayan acom-pañadas con impurezas de otros minerales (cuarzo,sílice, feldespato, óxidos de hierro, carbonatos,sulfatos, materia orgánica, etc.). Para poder compren-der mejor las propiedades de cada una de estas arcillases necesario examinar sus estructuras cristalinas. Porlo general, en las fórmulas que representan la composi-ción de estos materiales no figuran elementos exis-tentes en muy pequeñas proporciones, aunque a vecessu presencia es suficiente para cambiar laspropiedades físicas y químicas del material cristalino.

3.1.1. La caolinita

Se trata de un grupo de arcillas cuya composiciónquímica está basada en la fórmula [Al2(OH)4SiO5]. Loscristales de la caolinita están formados por finísimasláminas hexagonales y asimétricas, cuya estructuracristalina corresponde a un apilamiento paralelo e infini-to de bicapas de tipo AB. Una representaciónesquemática de la estructura cristalina en la caolinita sepresenta en la Figura 7. La unión entre estas bicapasse produce mediante enlaces de hidrógeno del tipoO...H-O, que se establecen entre los iones O2- situadosen la superficie de una bicapa y los iones OH- que sesitúan en la superficie de la bicapa adyacente. Este tipode enlaces es lo suficientemente fuerte para impedirque las láminas cristalinas de la caolinita se puedandilatar y permitir la entrada de moléculas de agua en suinterior. Por esa razón, las arcillas caoliníticas apenasreaccionan hinchándose en presencia de un medio

Figura 6. Capa de tipo A, constituida por tetraedros {SiO4} en

los que se comparten ligandos O2-.Figura 7. Disposición de las bicapas cristalinas AB en la estruc-tura de la caolinita.

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acuoso y su aplicación como aglutinante de las arenasde moldeo no se considera óptima.

3.1.2. La montmorillonita

De todas las arcillas disponibles en la naturaleza, lamontmorillonita destaca ampliamente por su capacidadpara cohesionar los granos de arena, aportando la plas-ticidad adecuada a las mezclas en las operaciones demoldeo (incluso después de la colada). Este grupo dearcillas puede representarse mediante la siguiente fór-mula química [Na0,33Mg0,33Al1,67(OH)2Si4O10], aunquela proporción de aluminio, magnesio e incluso hierrovaría en función del origen y el tipo de depósito arci-lloso. La estructura cristalina de la montmorillonita estáconstituida por tricapas de tipo ABA, que se disponenparalelamente unas con otras dando lugar a un api-lamiento infinito. La Figura 8 muestra la agrupación delos iones en este tipo de arcillas tan útiles en la fabri-cación de moldes de fundición. En este caso, las trica-pas cristalinas se disponen en el espacio de maneraque las capas de tipo A están siempre frente a otratambién de tipo A y perteneciente a la unidad adya-cente. Por ello, las fuerzas de unión que se establecenentre estas tricapas tienen lugar únicamente entre losiones O2-. Estas fuerzas de atracción (tipo Van derWaals) son mucho más débiles que los enlaces dehidrógeno presentes en la caolinita. Por ello, en pre-sencia de un medio acuoso, la montmorillonita es capazde hincharse y permitir que las moléculas de agua seintroduzcan entre las tricapas que forman láminascristalinas. Esta propiedad de las arcillas montmori-lloníticas permite rentabilizar su utilización en las are-nas en verde ya que se necesitan menores esfuerzosde mezcla.

Con objeto de mantener la neutralidad de cargas en elconjunto cristalino, entre las tricapas (cargadas negati-vamente en su superficie) aparecen siempre cationes(principalmente Na+ o Ca2+, aunque también pequeñascantidades de Mg2+) que influyen decisivamente en lacapacidad que tiene este tipo de arcillas para absorberlas moléculas de agua (Figura 9). Estos iones son inter-cambiables debido a que se encuentran unidos muydébilmente al plano basal formado por los iones O2-

(superficies exteriores de las tricapas ABA).

La gran avidez por el agua que muestra la montmori-llonita está relacionada con la necesidad de mantener el

sodio y/o el calcio en forma de iones hidratados (eléc-tricamente positivos) entre las tricapas ABA y conseguirasí la condición de neutralidad eléctrica del conjuntoarcilloso. Se ha mencionado ya que la capacidad dehidratación de la montmorillonita está ampliamentecondicionada por la presencia de uno u otro ión inter-cambiable entre las tricapas ABA [Heine y Green,1992]. De hecho, el volumen de agua (número de capasformadas por moléculas de agua) que puede absorbereste tipo de arcillas está condicionado por las carac-terísticas de la esfera de hidratación perteneciente aestos cationes intercambiables. Por ejemplo, unparámetro de control de las arenas de moldeo como esla resistencia a la compresión en verde (máximo valorde esfuerzo de compresión longitudinal que puedesoportar la mezcla de arena antes de romperse) esdiferente en una arena de moldeo preparada con mont-morillonita sódica frente a una que contiene la variedadcálcica, debido a los distintos efectos que estoscationes tienen sobre la disposición y la rigidez de lascapas de agua que se absorben en los cristalespertenecientes a la arcilla. Se ha comprobado que elmáximo valor de resistencia a la compresión en verdepara la montmorillonita sódica tiene lugar cuando haytres capas de moléculas de agua por celda unidad delcompuesto En el caso de la montmorillonita cálcica elmáximo valor se alcanza cuando existen cuatro capasde agua por unidad del compuesto. Comparativamente,la resistencia a la compresión en verde es mayor en lavariedad cálcica debido a que los iones Ca2+ y susesferas de hidratación dan lugar a un mayor número decapas rígidas, formadas por moléculas de agua que hansido absorbidas por la arcilla y, por tanto, dan lugar auniones más fuertes entre las partículas constituyentes.

Figura 8. Estructura cristalina de lamontmorillonita hidratada

[Na0,33Mg0,33Al1,67(OH)2Si4O10].xH2O.

Figura 9. Disposición de las moléculas de agua y iones Na+

y/o Ca2+ entre las tricapas ABA.

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La mayor aplicabilidad de las arcillas en la industria defundición se encuentra en mezclas de arcillas montmo-rilloníticas (al menos del 75% de concentración), desig-nadas habitualmente con el nombre de bentonitas, quecontienen cantidades minoritarias de otros tipos dearcillas y/o impurezas minerales. Las mejorespropiedades de aglutinación se han detectado en lasllamadas bentonitas sódicas activadas, en las que losiones Ca2+ se sustituyen por Na+ a través de un proce-so químico de activación. Este proceso supone la adi-ción de Na2CO3 sólido sobre el mineral con una deter-minada granulometría y humedad. La misión funda-mental de la bentonita es conseguir que los moldes dearena alcancen la compactación necesaria para resistirel ataque del metal durante la colada. A la hora deseleccionar una bentonita también se deberá tener encuenta su facilidad en el desmoldeo y la tendencia a for-mar grumos (dificultades en el mezclado de la arena).Por otro lado, la minimización del consumo de bentoni-ta requiere utilizar aglutinantes con calidades ade-cuadas (con la mayor pureza posible) y cuyaspropiedades térmicas permitan mantener sus carac-terísticas a lo largo de varias coladas.

3.1.3. La illitaLa estructura cristalina en este tipo de arcillas es muysimilar al caso de la montmorillonita, es decir, se tratade apilamientos de tricapas ABA cargadas negativa-mente con iones K+ situados entre ellas. La presenciade este catión provoca la formación de enlaces muyfuertes entre las tricapas, impidiendo la entrada de lasmoléculas de agua en los espacios situados entre éstasy perjudicando sus características aglutinantes. La fór-mula química que representa este tercer grupo de arcil-las viene dada por [K2Al4(OH)4(Si6Al2)O20].

3.2. Mecanismos de aglutinaciónLa utilización de las arcillas en la fundición está basadaen las propiedades aglutinantes que presentan estosmateriales cuando forman mezclas con el agua.

Anteriormente se ha visto cómo los cristales de las arci-llas contienen cargas negativas en su superficie, por loque las moléculas de agua (dipolos eléctricos) y loscationes forman finas películas alrededor de cada unade las partículas arcillosas y le dan a la mezcla cohe-sión, plasticidad y adhesión a otros materiales. Estastres propiedades se pueden explicar desde un punto devista estructural. La cohesión (o tendencia de laspartículas a mantenerse unidas) está relacionada con laresistencia que generan las uniones electrostáticascuando se produce un desplazamiento entre loscristales y/o partículas de la arcilla. La plasticidad seobtiene al aplicar sobre la mezcla una energía deamasado suficiente como para que las partículas dearcilla resbalen unas sobre otras, rompiéndose lasuniones electrostáticas en unas posiciones y volvién-dose a establecer en otras.

Por último, la adhesión sobre otros materiales es unapropiedad fundamental de las mezclas arcilla-agua, yaque si aparece un objeto extraño (como es un grano dearena de sílice, por ejemplo) éste queda envuelto yunido a las partículas de la arcilla a través de las pelícu-las acuosas. En la Figura 10 se puede observar laestructura microscópica de una arena de moldeo enverde. Alrededor de los granos de sílice aparece unrevestimiento constituido por bentonita mezclada conagua.

Las propiedades aglutinantes de una arcilla vienendadas por el tipo de constituyente predominante (lamontmorillonita en el caso de las bentonitas) pero nopor su capacidad para absorber agua o hinchamiento(la cual depende de la cantidad y naturaleza de loscationes retenidos entre las capas que forman loscristales da la arcilla).

3.3. Propiedades térmicasAl contrario que las arenas utilizadas en la fundición, lasarcillas aglutinantes son materiales que no soportanestructuralmente las temperaturas del hierro fundido

Figura 10. Granosde arena aglutina-dos con la mezclade bentonita yagua.

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(1350-1450 ºC). Este hecho supone que las bentonitasse degradan por efecto de la temperatura, perdiendoasí sus propiedades. Afortunadamente, este proceso dedegradación depende exclusivamente de la temperatu-ra en la mezcla de arena. Dado que el calor presente enel molde disminuye de manera importante al aumentarla distancia entre los granos y el metal colado, la canti-dad de bentonita "quemada" por efecto del calor es real-mente reducida (aproximadamente el 0,5-2,0%, depen-diendo del tipo de proceso y las condiciones de fabri-cación). Esta es la razón por la que suelen ser nece-sarios pequeños aportes de bentonita cada vez que seprepara una nueva mezcla para moldeo. Por todo ello,resulta de especial interés conocer cuáles son laspropiedades térmicas que muestran este tipo de arci-llas. Incluso, muchos de los proveedores y clientes deestos materiales aglutinantes utilizan las técnicas deanálisis térmico para comprobar la estabilidad estruc-tural de las bentonitas que utilizan en los procesos defabricación de los moldes de fundición.

Con este fin, se realizan análisis termogravimétricossobre los tres principales tipos de bentonitasdisponibles comercialmente: sódica natural, sódica acti-vada con Na2CO3 y cálcica natural. La Figura 11 mues-tra las curvas termogravimétricas TG, DTG y DSCobtenidas al introducir 37,5 mg de bentonita sódica nat-ural (EE UU) Volclay SPV-200, en una termobalanzaSetaram TG-DSC 111.

El análisis de las características de la curva DSC per-mite observar dos procesos endotérmicos asociados apérdidas importantes de masa. Ambos procesos estánrepresentados por picos mínimos en la curva DSC yocurren a temperaturas consideradas críticas en la

descomposición térmica de las bentonitas. El primerproceso térmico corresponde a la deshidratación de labentonita, tiene lugar en el intervalo 20-165 ºC (Tmín =105 ºC en DTG) y está provocado por la evaporación delas moléculas de agua que rodean o se sitúan entre lascapas cristalinas de la arcilla (humedad). En conse-cuencia, la pérdida de masa asociada a este procesode deshidratación depende del contenido de moléculasde agua en la muestra. Entre 165 y 550 ºC se obtienede manera estable bentonita sódica anhidra. En el inter-valo 550-750 ºC (Tmín = 690 ºC en DTG) tiene lugar elsegundo proceso endotérmico, el cual corresponde auna deshidroxilación o pérdida de los iones OH- (hi-droxilo) unidos a los cationes Al3+ y situados en lascapas de tipo B que forman los cristales de la montmo-rillonita. Esta degradación produce un reordenamientoestructural irreversible al que se conoce comúnmentecomo quemado de la bentonita. La pérdida de masaobtenida en el proceso de deshidroxilación es indepen-diente de la humedad inicial de la bentonita, siendo fun-ción únicamente de la naturaleza química (número ydisposición) de los iones OH- en las capas cristalinasque constituyen la arcilla. Las características de estesegundo proceso de deshidratación se pueden utilizarpara controlar la calidad de las bentonitas sumi-nistradas a la fundición.

En la Tabla 3 se comparan las características termo-gravimétricas correspondientes a la bentonita sódicanatural con la sódica activada y la cálcica natural[Sertucha y Suárez, 2004]. Se debe tener en cuentaque, para cada una de ellas, existen diversas varie-dades que pueden manifestar propiedades térmicasdiferentes. A partir de estos datos, es posible observarcómo las características de los procesos en los que seelimina la humedad no dependen del tipo de bentonitaanalizada. En todos los casos, se trata de un procesoendotérmico que comienza a temperatura ambiente ytiene su máxima actividad en torno a los 100-110 ºC.Las particularidades aparecen una vez obtenida la arci-lla seca. La bentonita sódica natural es la que poseemayor estabilidad térmica, su degradación tiene lugaren un único proceso y pierde menos masa relativa en elquemado, empleando la menor cantidad de energía.Todo ello implica que, en general, los enlaces Al-OHsituados en las capas cristalinas son más fuertes. Labentonita sódica activada es menos estable térmica-mente y, en este caso, presenta como novedad dos pro-cesos consecutivos de degradación. En el caso de lavariedad cálcica, el intervalo de estabilidad es ligera-mente más reducido, aunque su degradación transcurre

Figura 11. Proceso de descomposición térmica de una bentoni-ta sódica natural.

Tabla 3. Características térmicas de las bentonitas.

Tipo debentonita Intervalo Tmín

Estabilidadanhidra (ºC) Intervalo Tmín

Pérdida de masa enel quemado (%)

Energía (J/g)

Sódicanatural

20-165 105 165-550 550-750 690 4,5 288,3

Sódicaactivada

20-165 115 165-380 380-740 495680 6,5

126,5179,6

Cálcica 20-180 100 180-330 330-765 700 6,5 404,9

Deshidratación (ºC) Deshidroxilación (ºC)

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en una única etapa térmica. En ambos casos, son simi-lares tanto la pérdida de masa en el proceso dedeshidroxilación como la energía empleada en él.

3.4. Control de las arcillas utilizadas enfundición (bentonitas)

Al igual que las arenas base, la realización de ensayosde control sobre los productos aglutinantes constituyeun método eficaz para evitar variaciones en la calidaddel suministro y, consecuentemente, problemas en elcorrecto funcionamiento del sistema de preparación delas arenas de moldeo. Estos ensayos de control debenser exigidos a los proveedores, aunque las propiasfundiciones también deben establecerlos para llevar uncontrol interno de los materiales utilizados en la elabo-ración de las mezclas de arena. Las característicascomúnmente analizadas sobre una bentonita son: lahumedad, los índices de hinchabilidad y sedimentación,los contenidos de montmorillonita y carbonatos, elgrado de activación, el pH, el ensayo del azul demetileno (también llamado capacidad de intercambio debases), la durabilidad, la granulometría y el límite líqui-do. En el caso de las fundiciones, los ensayos habitual-mente utilizados para el control interno son el índice dehinchabilidad y el ensayo del azul de metileno.

Independientemente de la calidad, la granulometría delas bentonitas en el estado de suministro es un factorcrítico a la hora de evaluar su capacidad de agluti-nación. La elaboración de mezclas eficaces depende engran medida del tamaño de los granos de la arcilla. Deeste modo, los cristales muestran mejores propiedadesde cohesión cuanto más finos se encuentran en elestado de partida. Otro factor que influye directamenteen la calidad de las mezclas de arena es el tipo de aguautilizado. Las impurezas tipo sales minerales (especial-mente los carbonatos y/o el NaCl) u otras sustancias denaturaleza orgánica (residuos) son altamente perjudi-ciales puesto que se introducen en la estructura cristali-

na de las arcillas durante el proceso de mezclado y lasdesactivan.

4. CONCLUSIONES

La utilización de materiales inorgánicos juega un papelcrucial en el desarrollo actual de las tecnologías defundición. Tanto la posibilidad de modificar las carac-terísticas físicas y químicas de estas sustancias mi-nerales como el creciente auge de productos sintéticospermiten reducir la incidencia de los defectos en laspiezas fabricadas, asegurar su garantía de fun-cionamiento y minimizar los costes de proceso sin per-judicar la calidad del material.

Aunque tradicionalmente los defectos en las piezas serelacionan con aspectos metalúrgicos, y en concretocon los modelos de solidificación de los cristales metáli-cos, lo cierto es que las características de los moldesutilizados juegan un papel tan importante o más queaquéllos.

El conocimiento de las estructuras cristalinas de todoslos materiales que componen los moldes y sus interac-ciones durante los procesos industriales contribuyen ala mejora de las condiciones de fabricación. Por otraparte, se plantean nuevos productos alternativos y víasde recuperación de las sustancias ya utilizadas,reduciendo el impacto ambiental en un sector especial-mente crítico.

AGRADECIMIENTOS

Queremos mostrar nuestro agradecimiento a todas laspersonas e instituciones relacionadas con el mundo dela fundición de hierro y que nos han facilitado la elabo-ración de este trabajo. Del mismo modo, agradecemosa Pascual Román por haber sugerido el tema de estetrabajo y sus comentarios.

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REFERENCIAS

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