metales fundidos con arena cromada

Arena de cromo en sistemas unidos por resina y aglutinantes inorgánicos para moldes

¿Qué es la arena de cromo?

La arena cromada es cromita molida, un mineral natural que consiste en óxidos de hierro y cromo. Como mineral, la cromita es el mineral líder para la producción de cromo. Como arena cromada, es un polvo negro casi brillante, contiene cromo principalmente en el estado de oxidación +3 (y no el estado de oxidación altamente tóxico +6). La arena cromada tiene un punto de fusión de 2.040 oC, por lo que es muy adecuada para la fundición de metales, y es "casi químicamente inerte"(1). La cromita ha encontrado uso como material refractario por ejemplo en la fundición de arena verde, además de ser un componente en Refractarios cemento, con su alto contenido en cromía asegurando un material altamente estable que es en gran parte resistente a la humectación(2). Aquí, veremos la aplicación de arena cromada con sistemas unidos de resina para aplicaciones de fundición de metal fundido.

trabajadores que trabajan en un molde de arena cromada

Sistemas unidos a resina

Los sistemas unidos de resina se refieren casi exclusivamente, en términos de arena cromada, cuando la arena cromada se utiliza como componente en la producción de moldes de fundición para metales, y siempre se utiliza con algún tipo de resina como aglutinante. El tercer componente principal es un endurector, para fijar la resina y solidificar la unión. A menudo se afirma que aproximadamente 18 de todas las cromitas extraídas se utilizan con fines refractarios(3). En estos escenarios, la arena cromada es venerada por su tolerancia a altas temperaturas. Los encuadernadores, en muchos casos, son de base orgánica y suelen ser resinas. Hay algunos casos en los que se han empleado aglutinantes inorgánicos, por lo general para alcanzar una propiedad muy específica en el molde, la fundición o la eliminación del yeso. Como regla general, la concentración de Cr2O7 en arena de cromita/cromo para aplicaciones refractarias y de
fundición
no debe ser inferior a 36. A pesar de lo que se discute a continuación, algunos investigadores han declarado que el rendimiento a largo plazo a altas temperaturas de resinas, tanto orgánicas como inorgánicas, necesita más investigación(4).

molde usando arena cromada

La función del aglutinante es mantener físicamente el agregado unido (en este caso arena cromada, o una mezcla de arena cromada y arena de sílice convencional), la formación de enlaces químicos proporciona estabilidad a largo plazo del molde incluso a alta temperatura. Los primeros moldes de fundición emplearon aceite de núcleo para unir la arena, que finalmente fue reemplazada por aglutinantes de tipo fenol/uretano en las décadas de 1960 y 1970 para muchos tipos de metales, y aglutinantes de tipo furano principalmente para metales ferrosos solamente(5).

Hay en general dos procesos que utilizan resinas orgánicas en la fabricación de moldes de fundición; caja fría y moldeo sin hornear. El moldeo de caja fría es el proceso por el cual se deja la mezcla de arena cromada y aglutinante para curar a temperatura ambiente, produciendo el moho.

El moldeo sin hornear, como el moldeo de cajas frías, no usa calor para curar. La diferencia es que en el moldeo sin hornear, la resina utilizada es un ajuste rápido y se utiliza a menudo un catalizador. Las resinas se unen químicamente al agregado, proporcionando resistencia. Estos métodos contrastan con el moldeo de arena verde en el sentido de que no se utiliza arcilla, y tampoco se produce antracita. También son beneficiosos para su uso para grandes fundiciones desde un punto de vista económico, ya que no es necesario asignar recursos a los procesos de calefacción. Por lo general, los moldes unidos de resina que contienen arena cromada se reservan para cuando se requiere la fundición de mayor calidad/precisión, debido al costo general más alto que el uso de fundición de arena verde convencional - ya que la arena cromada es considerablemente más cara que la sílice/arena convencional.

Castables unidos con resina (RBC)

Los RBR se caracterizan por la resina utilizada junto a la arena, la arena cromada y otros aditivos. Son casi exclusivamente orgánicos en la naturaleza - es decir, se componen de carbono, hidrógeno y oxígeno, sin metales presentes. Los glóbulos rojos se utilizan ampliamente en toda la industria del casting. Las resinas a menudo se basan en estructuras de fenol o furano, o uretanos. Estas resinas en fundición de arena cromada han sido viables para la producción de productos fundidos a partir de aleaciones de magnesio fundido(6), titanio(7) además del hierro y acero de uso común. Las resinas orgánicas se añaden típicamente a los moldes de arena cromados en proporciones de no más de 10 en peso, con cantidades mayores que esto contribuyendo a hacer que el molde sea difícil de formar en primera instancia debido a la viscosidad, y más difícil de eliminar después de la fundición, y ciertamente no reciclable(8).

Algunos de los tipos comunes de glóbulos rojos orgánicos se describen a continuación.

El metal fundido de hierro se vierte en el molde de arena

Resinas fenólicas alcalinas endurecidas por éster

En este colector de RBC, el aglutinante es una resina fenólica altamente básica de baja viscosidad, combinada con un éster orgánico líquido como endurecente. Tan solo 1.4 resina en masa se puede utilizar con arena cromada. La capacidad de fundición de este método se caracteriza por un acabado "como fundido" en el metal, es decir, no se observa ninguna humectación o formación de púas ásperas de metal o arena disuelta(9)

Resinas fenólicas-uretano-amina

Normalmente se utiliza con arenas de sílice puras, este proceso se puede utilizar con éxito con arenas cromadas, y es particularmente eficaz cuando se utiliza una arena mixta de sílice/cromo. Esta resina también es alcalina.

Resinas fenólicas alcalinas con dióxido de carbono

Una resina alcalina a base de fenol se utiliza con un agente de acoplamiento, que junto con la arena cromada se coloca en la caja alrededor del patrón. El dióxido de carbono se sopla a través del material que causa el endurecimiento de la resina a través de una disminución de PH.

Ligantes inorgánicos

Hasta el año 2000, la gran mayoría de las aplicaciones de fundición ligadas a resina dependían únicamente de aglutinantes orgánicos sobre las inorgánicas. Las razones de esto incluyen una mejor productividad, mayor fiabilidad del proceso y mejores propiedades mecánicas en general, además de un nivel inigualable de familiaridad(10). Más frecuentes en la fundición de metales no ferrosos como el aluminio, los aglutinantes inorgánicos se han utilizado de forma rutinaria desde entonces debido a las condiciones ambientales favorables en la
fundición
y un proceso menos complejo con aluminio.

Uno de los aglutinantes inorgánicos más populares en los castables de arena cromada es el silicato de sodio, también conocido como vidrio de agua(11). Las ventajas a menudo citadas de los aglutinantes inorgánicos son la falta de emisiones nocivas durante la fundición (en comparación con una resina orgánica, como fenólica, que se descompone al calentar) y menos mantenimiento. Por otro lado, los núcleos producidos que contienen aglutinantes inorgánicos son conocidos por su afinidad con el agua, por lo que deben almacenarse adecuadamente y debe excluirse la humedad. A diferencia de las resinas que contienen aglutinantes orgánicos, los castables de arena cromada que contienen aglutinantes inorgánicos pueden ser tratados térmicamente antes de su uso. Dicho calentamiento se asocia con una mayor resistencia a la compresión y mecánica en el castable, pero no hay cambios apreciables de resistencia en los enlaces formados entre la resina y la arena en un estudio sin calefacción frente a calentado(12). La calefacción se puede realizar a través de un horno convencional o utilizando aparatos de calefacción por microondas(13) y tiene un efecto de endurecimiento general - moldes duros y de alta resistencia a menudo se asocian con mejores acabados superficiales. Un ejemplo típico de resina de aglutinante inorgánico emplearía la resina en alrededor de 40 a 70 en peso, junto con otros aditivos(14); con la cantidad total de aglutinante en el módulo de fundición de arena cromada no superior a 5 en peso.

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fundición de metal utilizando moldes de arena cromada

Otras Consideraciones

La viscosidad es uno de los parámetros clave a la hora de diseñar un sistema de resina de arena cromada. Si la mezcla necesita ser compactada, embisteada o forzada a través de un extrusor, las mezclas altamente viscosas serían subóptimas. Además, cualquier mezcla debe ser fluida en la cámara de fundición alrededor del patrón. Las resinas a menudo son el mayor contribuyente a la viscosidad(15). Como parte del equilibrio general de selección de resinas para castables de arena cromada, es importante tener en cuenta que la permeabilidad de la resina a granel tendrá un impacto en la porosidad general de la fundición, que debe ser monitoreada para garantizar que no se alcancen los niveles excesivos de porosidad(16). Además, además de la resina, los rellenos y aditivos en la mezcla de moldes de arena juegan un papel, especialmente en lo que respecta a la viscosidad y la densidad general(17). La expansión térmica es más preocupante con los aglutinantes inorgánicos debido a su naturaleza termoplástica, donde el núcleo de arena en el sistema de unión puede colapsar bajo el intenso calor y la presión ejercido por el metal fundido. Esto se puede evitar en gran medida mediante el uso de recubrimientos disponibles comercialmente para dispersar el calor de manera más eficiente(18).

trabajo de fundición de metal

Además de las técnicas normales de moldeo tipo caja, los investigadores han demostrado en una revisión que la impresión 3D se puede utilizar para crear moldes para procesos de fundición de arena cromada(19). Esta innovación puede producir moldes muy específicos para la fundición a precios bajos, en un proceso llamado "embarcadero de aglutinante". Las proporciones óptimas para arena cromada, aglutinantes y otros parámetros para aplicaciones de fundición se pueden determinar computacionalmente, lo que permite una mayor eficiencia en el sector en su conjunto(20). Los aglutinantes de tipo furano son carcinógenos sospechosos y su uso está en consideración de ser eliminados gradualmente en todo el mundo.

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Resumen

  • La arena cromada se utiliza con resinas (tanto orgánicas/a base de resina como inorgánicas) para producir moldes de fundición de alta calidad para la producción de materiales fundidos de alta gama
  • El método es aplicable a una variedad de metales ferrosos y no ferrosos
  • Los aglutinantes orgánicos/resinosos son, con mucho, la clase de aglutinante más utilizada, siendo inorgánicos menos populares y reservados para aplicaciones no ferrosas
  • Los aglutinantes a base de resina tienden a ser menos costosos en general, pero los aglutinantes inorgánicos tienen menos propiedades potencialmente dañinas asociadas a ellos
  • Los encuadernadores trabajan manteniendo física y químicamente la arena cromada junto con cualquier otro aditivo
  • La selección del aglutinante es sólo una parte de la historia en la creación de una mezcla de arena cromada optimizada, otros factores como la viscosidad, los aditivos y la manipulación física como la embestida deben tenerse en cuenta
Arena cromada

Referencias

1 J. O. Nriagu y E. Nieboer (eds.), Chromium in the Natural and Human Environments, Wiley-Interscience, Nueva York, 1988

2 N. McEwan et al., Chromite—A Cost-effective Refractory Raw For Refractories in various Metallurgical Applications in: Southern African Pyrometallurgy 2011, R. T. Jones and P. den Hoed (eds.), Johannesburgo, 2011

3 J. Barnhart, Reg. Toxicol. y Pharmacol., 1997, 26, 3

4 J. Thiel, Expansión Térmica de Arenas de Sílice Químicamente Enlazadas en: AFS Proceedings 2011, American Foundry Society, Schaumberg, Usa, 2011

5 D. Weiss, Advances in the Sand Casting of Aluminium Alloys en: Fundamentos de la Metalurgia del Aluminio, R. N. Lumley (ed.), Elsevier, Amsterdam, 2018

6 F. Liu et al., J. Manuf. Proc., 2017, 30, 313

7 R. M. Koch y J. M. Burns, Shape-casting Titanium en Olivine, Garnet, Chromite, y Zircon Rammed and Shell Molds, Department of the Interior, Washington DC, 1979

8 R. H. Todd, D. K. Allen y L. Alting, Manufacturing Processes Reference Guide, Industrial Press Inc., Nueva York, 1994

9 J. R. Brown (ed.), Foseco Ferrous Foundryman's Handbook, 11a ed., Butterworth-Heinemann, Oxford, 2000

10 H. Polzin, Binders Inorgánicos: para La Producción de Moldes y Núcleos en la Fundición,Schiele & Schán, Berlín, 2014

11 M. Stachowicz et al., Arco. Eng de fundición., 2017, 17, 95

12o. , Arco. Metall. Mater., 2017, 62, 379

13 M. Stachowicz et al., Arco. Eng de fundición., 2016, 16, 79

14 Patente coreana KR101527909B1, 2004; y la patente canadiense CA1203966A, 1982, expiró

15 G. R. Chate et al., Silicon, 2018, 10, 1921

16 N. S. Reddy et al., J. Corea encontrada. Soc., 2014, 34, 23

17 O. S. Seidu y B. J. Kutelu, J. Min. Mater. Character Eng., 2014, 2, 507

18 F. M.ck y C. Appelt, Planta de Fundición y Tecnología, 2018, 3, 12

19 T. Sivarupa et al,, J. Manuf. Proc., 2017, 29, 211

20 B. Surekha et al., Proc. Mater. Sci., 2014, 6, 919