La arena de fundición es arena de sílice limpia y de tamaño uniforme que se utiliza para formar moldes y machos para la fundición de metales. Los granos de arena están recubiertos con agentes aglutinantes como arcilla bentonita o resinas químicas que mantienen la forma del molde al verter el metal fundido en él.
El término «arena de fundición» se refiere específicamente a la arena utilizada en las fundiciones, instalaciones donde se funde y moldea el metal. Esta arena se diferencia de la arena de playa o la arena de construcción por tener un tamaño de grano uniforme, un alto contenido de sílice (normalmente del 95 % o superior) y propiedades cuidadosamente controladas.
Moldeo en arena Funciona porque la arena puede soportar temperaturas extremas sin fundirse ni descomponerse. Cuando el hierro fundido a 1538 °C (2,800 °F) se vierte en un molde de arena, esta permanece estable mientras el metal se enfría y se solidifica.
Las fundiciones utilizan el moldeo en arena para fabricar desde bloques de motor hasta tapas de alcantarilla. Casi todos los metales que se funden se pueden moldear en arena, incluidos el hierro, el acero, el aluminio, el latón y el bronce.
El proceso es rentable porque la arena se puede reutilizar varias veces. Una vez que la pieza fundida se enfría, los operarios desmontan el molde de arena, limpian la pieza y reacondicionan la arena para su próximo uso.
La composición de la arena de fundición varía según el método de colada, pero todas comparten una base de arena de sílice de alta pureza. El contenido de sílice debe superar el 95 % para soportar la tensión térmica del metal fundido, y la mayoría de las arenas de fundición contienen entre un 97.2 % y un 98.7 % de sílice.
Así es como se comparan los tres tipos principales en cuanto a su composición:
| Tipo de arena | Contenido de sílice | Tipo de carpeta | Porcentaje de aglutinante | Aditivos |
|---|---|---|---|---|
| Arena verde | 85-95% | Arcilla de bentonita | 4-10% | 2-10% de materiales carbonáceos (carbón marino) |
| Arena unida químicamente | 93-99% | resinas químicas | 1-3% | Epoxi, silicato de sodio, alcohol furílico, uretanos fenólicos |
| Arena recubierta de resina | 93-99% | resina termoendurecible | 1-3% | recubrimiento de resina fenólica o furánica |
Diversas propiedades físicas determinan si la arena de fundición producirá piezas fundidas de calidad. Estas propiedades afectan la forma en que el molde mantiene su forma, libera gases durante el vertido y produce una superficie lisa en la pieza fundida.
Tamaño del grano determina el acabado de la superficie de su fundición. Los granos de arena más finos crean superficies más lisas pero reducen la permeabilidad, mientras que los granos más gruesos permiten una mejor salida de gases pero dejan acabados más rugosos.
Permeabilidad Mide la facilidad con que los gases pueden atravesar la arena. La Sociedad Americana de Fundición recomienda un rango de permeabilidad de 90 a 105 para la mayoría de las aplicaciones. Si la permeabilidad es demasiado baja, los gases atrapados crean defectos como porosidades y soplos.
Forma de grano Influye tanto en la resistencia mecánica como en la compactación de la arena. La mezcla óptima contiene aproximadamente un 60 % de granos esféricos y un 40 % de granos angulares. Los granos esféricos mejoran la permeabilidad y el flujo de gas, mientras que los granos angulares aumentan la trabazón mecánica y la resistencia del molde.
Tamaño de partícula La distribución de partículas en la arena de fundición residual suele ser muy fina. Las investigaciones muestran que entre el 85 % y el 90 % de las partículas de arena de fundición residual tienen un tamaño inferior a 100 micrómetros, que es aproximadamente el grosor de un cabello humano.
Resistencia a la temperatura Es fundamental, ya que la arena de fundición debe resistir el metal fundido sin desintegrarse. La arena de sílice se mantiene estable hasta aproximadamente 3,000 °F, lo que abarca los puntos de fusión de los metales de fundición comunes.
En la industria de la fundición de metales predominan tres tipos principales de arena de fundición. Cada tipo utiliza sistemas aglutinantes diferentes y se emplea en aplicaciones específicas según la precisión requerida, el volumen de producción y el metal que se va a fundir.
La arena verde produce más piezas fundidas por tonelada que todos los demás tipos de arena juntos. Su nombre proviene del estado no curado de la arena, que permanece «verde» o húmeda incluso al verter el metal fundido en el molde.
La composición típica incluye entre un 85 % y un 95 % de arena de sílice, entre un 4 % y un 10 % de arcilla bentonita como aglomerante y entre un 2 % y un 10 % de aditivos carbonosos para mejorar el acabado superficial de la pieza fundida. Se añade agua (con un contenido de humedad del 2 % al 7 %) para activar el aglomerante de arcilla.
La arena verde ofrece importantes ventajas en cuanto a velocidad y coste de producción. Se puede reciclar inmediatamente después del desmoldeo sin necesidad de esperar al curado químico, y el equipo necesario es relativamente sencillo en comparación con otros métodos.
Las fundiciones de automóviles y las fundiciones de hierro en general dependen en gran medida de la arena verde. Funciona bien para series de producción medianas a grandes donde se acepta cierta rugosidad superficial.
La principal limitación es la precisión dimensional. Los moldes de arena verde tienen menos rigidez que los moldes de unión química, lo que puede provocar pequeñas variaciones dimensionales en piezas fundidas complejas.
La arena aglomerada químicamente se compone de un 93-99% de arena de sílice mezclada con un 1-3% de aglomerante químico. Entre los aglomerantes comunes se incluyen resinas epoxi, silicatos de sodio, alcohol furílico y uretanos fenólicos.
Al mezclar la arena y el aglutinante, se activa un catalizador que desencadena la reacción de curado. Este proceso crea fuertes enlaces químicos entre los granos de arena sin necesidad de humedad, lo que da como resultado moldes rígidos con una excelente estabilidad dimensional.
Las fundiciones siempre utilizan arena aglomerada químicamente para los machos, que son moldes de arena que crean espacios huecos y características internas en las piezas fundidas. Las fundiciones de acero y de metales no ferrosos también la utilizan para moldes externos cuando la precisión es fundamental.
Su resistencia superior permite crear formas muy intrincadas con paredes delgadas y detalles finos. Los moldes con unión química conservan mejor sus dimensiones que la arena verde durante el vertido del metal.
La contrapartida radica en el coste y la recuperación. Los aglutinantes químicos son más caros que la arcilla bentonítica, y se requiere un procesamiento adicional para eliminar la capa de aglutinante antes de reutilizar la arena.
La arena recubierta de resina, también llamada arena sin cocción, se compone de granos de arena pre-recubiertos con resina termoendurecible, como resinas fenólicas o furánicas. El recubrimiento de resina actúa como aglutinante y agente moldeable.
Este tipo de arena ofrece la mayor resistencia mecánica y estabilidad dimensional de todas las arenas de fundición. Sus fuertes enlaces de resina crean moldes que resisten la erosión del metal fundido, reduciendo defectos como cortes y lavados.
La arena recubierta de resina se utiliza en aplicaciones que requieren alta precisión y un excelente acabado superficial. Algunos ejemplos son las carcasas de bombas, los cuerpos de válvulas y los componentes aeroespaciales, donde las tolerancias ajustadas son fundamentales.
El recubrimiento de resina crea una superficie de fundición más lisa en comparación con la arena verde, ya que las finas partículas de resina rellenan los huecos entre los granos de arena. Esto reduce la penetración del metal, que se produce cuando el metal fundido se filtra entre los granos de arena.
El principal inconveniente es el impacto ambiental. Los aglutinantes de resina liberan compuestos orgánicos volátiles (COV) durante el vertido, lo que requiere sistemas de ventilación especializados para proteger a los trabajadores y cumplir con las normativas de calidad del aire.
El proceso de fundición en arena transforma la arena de fundición en moldes temporales que dan forma al metal fundido. Así es como funciona de principio a fin:
Un modelista construye una réplica de la pieza final, generalmente en madera, plástico o metal. El modelo es ligeramente más grande que la pieza fundida final para compensar la contracción del metal al enfriarse.
Los operarios compactan arena de fundición alrededor del modelo dentro de una caja de dos partes llamada molde. La arena se apisona o comprime para lograr la densidad y resistencia adecuadas. Una vez que la arena está bien compactada, retiran el modelo, dejando una cavidad en la arena que coincide con la forma de la pieza.
La fundición funde el metal en un horno a temperaturas entre 1,300 °F y 3,000 °F, según la aleación. Vierten el metal líquido en la cavidad del molde a través de un canal llamado bebedero. El metal fluye por el molde, llenando todas las cavidades y adoptando la forma del molde de arena.
La pieza fundida permanece en el molde de arena mientras el metal se enfría y solidifica. Los tiempos de enfriamiento varían de minutos a horas, dependiendo del tamaño y el grosor de la pieza. La arena aísla el metal y controla la velocidad de enfriamiento.
Tras enfriarse, los operarios agitan o vibran la pieza fundida para romper el molde de arena. Separan la pieza de la arena suelta, la limpian y la inspeccionan. La arena usada se recoge, se tamiza y se reacondiciona para su reutilización.
Cada tonelada de metal fundido suele requerir varias toneladas de arena. La posibilidad de recuperar y reutilizar esta arena hace que el proceso sea económicamente viable para la producción en grandes volúmenes.
Sí, la arena de fundición se puede reciclar tanto dentro de las fundiciones como en otras aplicaciones fuera de la industria de la fundición de metales. El reciclaje reduce los residuos, conserva los recursos naturales y disminuye los costos para las fundiciones y las empresas constructoras.
En Estados Unidos, aproximadamente 2.6 millones de toneladas de arena de fundición usada se reutilizan cada año fuera de las fundiciones. Las arenas de fundición de hierro, acero y aluminio representan el 96 % de la arena de fundición que se destina a aplicaciones beneficiosas.
La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) apoya el uso beneficioso de las arenas residuales de fundición de hierro, acero y aluminio, ricas en sílice. Estudios de la EPA demuestran que las concentraciones de sus componentes en estas arenas se encuentran por debajo de los límites establecidos para la salud y el medio ambiente cuando se utilizan en aplicaciones relacionadas con el suelo.
La arena de fundición tiene un tamaño de grano uniforme, un alto contenido de sílice (más del 95%, frente a la variabilidad de la arena común) y propiedades consistentes necesarias para soportar temperaturas de metal fundido de hasta 3,000 °F. La arena común de playas o lechos de ríos tiene tamaños de partículas mixtos, composición variable y no se somete a pruebas de estabilidad térmica ni de permeabilidad.
La arena de fundición a base de sílice procedente de fundiciones de hierro, acero y aluminio no está clasificada como residuo peligroso por la EPA. Sin embargo, contiene sílice cristalina, por lo que los trabajadores deben evitar inhalar el polvo. La arena de fundición usada también puede contener trazas de metales o residuos de aglutinante que requieren análisis antes de su reutilización en aplicaciones en contacto con el suelo.
La arena verde puede reutilizarse cientos de veces con un reacondicionamiento adecuado entre usos. Las fundiciones suelen añadir entre un 5 % y un 40 % de arena nueva a cada lote para compensar las pérdidas durante el desmoldeo y mantener las propiedades de la arena. La arena aglomerada químicamente requiere un tratamiento térmico o mecánico para eliminar los recubrimientos aglomerantes antes de su reutilización.
