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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

“Efecto de aglutinantes orgánicos e inorgánicos sobre arenas angulares para la fabricación de corazones de

fundición”

POR: CLAUDIA EUGENIA CANALES NÁÑEZ.

EN OPCIÓN AL GRADO DE LICENCIATURA EN INGENIERÍA DE MATERIALES

CIUDAD UNIVERSITARIA SEPTIEMBRE 2011

UNIVERSIDAD AUTONÓMA DE NUEVO LEÓN

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

Los miembros del comité de tesis recomendamos que la tesis “Efecto de

aglutinantes orgánicos e inorgánicos sobre arenas angulares para la

fabricación de corazones de fundición” realizada por la alumna Claudia

Eugenia Canales Náñez con matricula 1341452, sea aceptada para su

defensa como opción al grado de Ingeniero en Materiales.

El Comité de Tesis

____________________________ ____________________________ Asesor Revisor

Dr. José Luis Cavazos García M.C. Ma. De Jesús Nañez Rdz

________________________________

Revisor

M.C. Dante A. Jiménez Domínguez

________________________________

Vo.Bo.

M.C. Arnulfo Treviño Cubero

Subdirector Académico

“ALERE FLAMMAM VERITATIS”

San Nicolás de los Garza, N.L., Septiembre del 2011

DEDICATORIA

A mis padres Mara y Antonio, por todo su amor y

comprensión, por aconsejarme y apoyarme siempre para salir adelante, y por todos los esfuerzos que han hecho por mí y por mis hermanos a lo largo de nuestras vidas.

A mí querido hermano Adrián, por ser mi ejemplo a seguir.

A mis hermanas del alma, Marcela y Sofía, por estar siempre conmigo.

A mi otra hermana, Emma Esquivias, por todo su apoyo, confianza y cariño.

AGRADECIMIENTOS

A la Universidad Autónoma de Nuevo León y a la Facultad de Ingeniería

Mecánica y Eléctrica donde he vivido una gran etapa de mi vida y hecho

grandes amigos.

Al Dr. José Talamantes Silva por permitirme formar parte de su equipo de

trabajo y por el apoyo brindado a lo largo de mi estancia en NEMAK.

Al Dr. Alberto Esquivel, Miguel Ramírez, Gilberto García y Aldo Sáenz por su

valiosa ayuda en la realización de esta tesis.

Al Dr. Abraham Velasco y a Juan Pablo Velázquez por todo su apoyo y por

sus conocimientos aportados en este trabajo.

A mis colegas y amigos de arenas Gil, Aldo, Beto, Elena, Dr. Abraham, JPV,

Mike, Hibra, David, Pedro y Alex, a todos ustedes gracias por su amistad, por

todos los buenos momentos que pasamos juntos y por hacer del trabajo un

pasatiempo divertido.

A todos los ingenieros y practicantes del departamento de Investigación y

Desarrollo de NEMAK, especialmente a Marcos Cardoso, Lazarito, Efrén

Carrera, Pablito de la Garza y Alex González, gracias por su amistad y por

hacer muy agradable mi estancia en R&D.

Al Dr. José Luis Cavazos García, al M.C. Dante Jiménez y a la M.C. María de

Jesús Náñez Rodríguez, les agradezco su apoyo y el tiempo que invirtieron

en ser mis asesores.

Al Ing. José Luis Tijerina González, por sus consejos, asesorías y sobre todo

por su amistad.

También quiero agradecer a Priscila Contreras, Irene Treviño, Sarahi

Gaxiola, Victoria Campos, Javi Garza, Alejandro Morales, Carlos Pereyra,

Arturo Haro, Anahi Ávila y José Angel Ramírez, por estar siempre que los

necesito.

Para finalizar agradezco a mis compañeros de generación Reneé Guerrero y

Carlos Segura, por todo su apoyo y porque sin ustedes no hubiera podido

llegar hasta aquí.

ÍNDICE GENERAL

CAPITULO I: INTRODUCCIÓN Pág.

1 Introducción. 1

CAPITULO II: ANTECEDENTES Pág.

2.1 Arenas. 3

2.1.1 Arena Sílice. 3

2.1.2 Tipos de arena. 4

2.1.3 Clasificación de las arenas. 5

2.1.4 Propiedades de las arenas. 6

2.2 Corazones. 8

2.2.1 Variables a verificar de la mezcla arena-aglutinante. 9

2.3 Sistemas de aglutinación química. 10

2.3.1 Clasificación de los sistemas de aglutinación en

orgánicos e inorgánicos. 11


base al mecanismo catalizador. 11


base al mecanismo de curado. 12

2.4 Procesos de fabricación de corazones. 12

2.4.1 Proceso de caja fría. 13

2.4.1.1 Resinas fenólicas - uretánicas (Caja fría). 14

2.4.2 Proceso de caja caliente. 15

2.4.2.1 Sistemas de resina de caja caliente. 16

2.5 Aglutinantes orgánicos. 17

2.5.1 Sistema de resina orgánica base agua. 17

2.6 Aglutinantes inorgánicos. 19

2.6.1 Principios fundamentales de los aglutinantes inorgánicos. 20

2.6.2 Silicatos. 21

2.6.2.1 Reacción de polimerización de los silicatos. 21

2.6.2.2 Proceso de deshidratación. 23

2.6.3 Fabricación de corazones con resina inorgánica. 24

2.6.4 Principales ventajas y desventajas de los aglutinantes

Inorgánicos. 26

CAPITULO III: DESARROLLO EXPERIMENTAL Pág.

3.1 Introducción. 28

3.2 Caracterización de la arena. 29

3.2.1 Distribución granulométrica y cantidad de finos. 29

3.2.2 L.O.I. 30

3.2.3 Medición de pH. 31

3.2.4 Microscopía óptica. 32

3.3 Caracterización de la mezcla arena - aglutinante. 34

3.3.1 Desarrollo de resistencias. 34

3.3.2 Procedimiento y equipo utilizado para la

elaboración de probetas. 36

3.3.3 Elaboración de probetas por caja caliente. 37

3.3.4 Análisis de propiedades mecánicas. 38

3.3.5 Cámara de humedad 39

3.3.2 Microscopía electrónica de barrido (SEM). 41

CAPITULO IV: RESULTADOS Y DISCUCIÓN Pág.

4.4 Introducción. 42

4.2 Caracterización de las arenas. 42

4.2.1 Distribución granulométrica. 43

4.2.2 L.O.I. 44

4.2.3 Medición de pH. 45

4.2.4 Microscopía óptica. 46

4.3 Caracterización de la mezcla arena - aglutinante. 49

4.3.1 Desarrollo de resistencia. 49

4.3.2 Desarrollo de resistencia en cámara húmeda. 56

4.3.3 Caracterización por microscopía electrónica de barrido. 59

CAPITULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Pág.

5.1 Conclusiones. 67

5.2 Recomendaciones. 67

REFERENCIAS 68

APENDICES 69

LISTA DE FIGURAS 83

LISTA DE TABLAS 86

1

Capítulo I

Introducción

Hoy en día la industria automotriz se enfrenta a una nueva serie de normas

ambientales internacionales y debido a esto ha sido necesario optimizar e

innovar en los procesos de fabricación de piezas fundidas.

Así como el metal a utilizar en la producción de piezas fundidas es de vital

importancia, los corazones de arena representan otro factor importante en la

industria de la fundición ya que son los encargados de formar los huecos que

tendrán las piezas vaciadas.

Los corazones comúnmente están hechos de una mezcla de arena sílica

con diferentes tipos de aglutinantes y se obtienen mediante distintos procesos

de fabricación.

Nemak S.A. es una empresa especializada en la producción de cabezas,

monoblocks y otros componentes para la industria automotriz. Actualmente

Nemak se ha visto en la necesidad de desarrollar nuevos sistemas de

aglutinantes orgánicos e inorgánicos que sean amigables con el medio

ambiente y que a su vez generen moldes y corazones de buena calidad.

En estudios anteriores se ha demostrado que los aglutinantes orgánicos e

inorgánicos presentan buenas propiedades en corazones fabricados con

arenas de tipo redonda y debido a las ventajas que estos sistemas de

2

aglutinación proporcionan se ha decidido evaluar el efecto de estos

aglutinantes sobre arenas de tipo angular.

Para poder cumplir con este objetivo, se estudiarán cada tipo de arena

mediante distintas pruebas y técnicas utilizadas a nivel laboratorio, además de

evaluar el desarrollo de resistencia a 40 % y 90% de humedad en las probetas

fabricadas con las diferentes mezclas de arena-aglutinante.

3

Capítulo II

Arenas

2.1 Arenas

La arena es un material inorgánico compuesto de sustancias minerales

constituidas por agregados pétreos, y comprenden un rango granulométrico de

0.06 a 2 mm. El término de arena no identifica al mineral que compone los

granos, así que se debe hacer referencia al nombre del componente principal,

por ejemplo: la arena sílice, que es la más empleada en el proceso de

fundición, y su composición química la constituye integralmente el bióxido de

silicio SiO2.

2.1.1 Arena Sílice

Las arenas de sílice (SiO2) se acumularon por el depósito de arena a lo

largo de las costas de antiguos mares. Donde estos depósitos fueron

enterrados bajo una gruesa capa de sedimento posterior se consolidaron para

formar piedra arenisca. El levantamiento y desplazamiento de la superficie de la

tierra en algunas áreas ha expuesto capas de piedra arenisca que afloran y

surgen a través de la superficie de la tierra. Además, en lugares donde ha

existido una fuerte erosión de los materiales que cubre la piedra arenisca, la

delgada capa de recarga que la cubre permite su extracción con facilidad.

4

La arena sílice está constituida, fundamentalmente, por granos de cuarzo

(SiO2). Este es uno de los minerales más duros que se encuentran en la

naturaleza y de mayor abundancia, y presenta características refractarias. [1] La

arena sílice es empleada para la fabricación de moldes y corazones utilizados

en fundición, por las siguientes razones:

Es la más abundante en la naturaleza.

Altamente refractarias.

Resistente al ataque químico.

Por tener compatibilidad con la mayoría de los aglutinantes orgánicos

e inorgánicos.

Por su bajo costo en relación con otras arenas. [1,2]

Los yacimientos en el territorio mexicano de las minas de arena sílice se

localizan a lo largo de la costa del golfo de México, en Veracruz, y Tamaulipas,

también se encuentran en Puebla, Guanajuato, San Luis Potosí, Nuevo León,

Durango, Zacatecas y Coahuila. Existen arenas de grano redondo que se

localizan en Estados Unidos principalmente en el área de Oklahoma y también

en zonas cercanas a los grandes lagos. [3]

2.1.2 Tipos de arenas

Existen otras arenas que compiten con la arena sílice para usarse como

material refractario y de moldeo, en particular la olivina, cromita y circonia

mostradas en la figura 2.1.

Arena olivina: Mineral principalmente compuesto por silicatos de magnesio

y hierro, encontrada en su estado natural en la fosferita. Su aplicación en la

industria de la fundición es principalmente para metales no ferrosos, ya que

presenta buena refractariedad. La composición típica expresada en óxidos es

MgO: 48%, SiO2: 41% y Fe2O3: 8%.

5

Arena de Cromita (FeCr2O4): es aplicable a todos los tipos de aceros y

muy apropiada para las piezas de acero al cromo, cromo-níquel y acero al

manganeso. La dilatación térmica es mucho más baja que la arena de sílice con

lo que se reducen también los problemas derivados de la expansión de la

arena. El contenido típico de sus óxidos mayoritarios es Cr2O3: 46%, FeO: 27%,

Al2O3: 15% y MgO: 10%.

Arena circonia: Su composición es silicato de circonio (ZrSiO4) y tiene una

densidad aparente aproximada de 2.7 g/cm3. Se emplea en la fabricación de

corazones y moldes sometidos a altas temperaturas como es el caso de piezas

de acero y piezas masivas de fundición. La arena de circonio presenta

excelentes propiedades refractarias, baja dilatación térmica y elevada

conductividad térmica. [3]

Figura 2.1 Tipos de arena.

2.1.3 Clasificación de las arenas

Se clasifican de la siguiente manera:

A) Tamaño: Este se determina por medio del No. AFS, el cual se representa

por medio de un análisis de distribución en mallas de diferentes tamaños.

El resultado nos indicará si la arena es de tipo gruesa, mediana o fina. Las

principales características relacionadas con el tamaño de grano son la

permeabilidad y el acabado superficial.

6

B) Forma: Esta es una característica principal para la producción de

corazones debido a que de esta dependerá en gran parte el consumo de

resinas, existen básicamente 3 formas de grano (figura 2.2):

1. Angular: arena que presenta aristas y caras planas.

2. Subangular: arena que presenta bordes redondeados, picos, vértices

y caras planas.

3. Redondo: arena de bordes redondeados y con apariencia esférica. [2]

La mejor arena para fabricar corazones es la de grano redondo ya que

requiere la menor cantidad de resina, debido a su menor área superficial.

Figura 2.2 Morfología de los granos de arena.

2.1.4 Propiedades de las arenas

A) Densidad: Entre mayor sea la cantidad de granos que se puedan unir

entre un volumen determinado, mayor será la densidad y más fuerte serán

los moldes y corazones. Entre más redondos sean los granos, mejor será

la compactación y mayor su densidad. [4]

7

B) Temperatura: El rango oscila entre 18 y 30° C, si no se tiene un buen

control sobre la temperatura puede producir los siguientes efectos:

A temperatura mayor de 30° C acelera la reacción de las resinas, se

acorta la vida de banco y disminuye la fluidez de la mezcla durante el

soplado.

A temperaturas menores a 18° C en la arena retarda la reacción de

las resinas, provocando corazones crudos, disminuye la eficiencia del

mezclado en el molino al incrementar la viscosidad de las resinas.

C) Humedad: La presencia de humedad mayor de 0.2% en la arena no es

recomendable debido a que el agua reacciona con la resina, y como

consecuencia degrada sus propiedades disminuyendo la vida de banco y

la resistencia del corazón. Las principales fuentes de contaminación de

humedad en la arena y del proceso mismo son:

Silos y tolvas mal sellados.

Alta humedad relativa ambiental.

D) pH y ADV: Esta característica indica el grado de acidez o alcalinidad de la

arena. El pH es un indicador de las impurezas encontradas en la arena.

Por esta razón se debe determinar el pH de las arenas, debido a que

arenas muy básicas tienden a acortar la vida de banco de la mezcla. El

valor de la demanda de acida (ADV), determina las sustancias alcalinas

solubles en ácido.

E) L.O.I.: El valor de esta medición indica la cantidad de resina adherida a los

granos de arena después de la calcinación, si el índice de LOI es alto, se

producirán problemas en las piezas.

8

F) Fluidez: Está relacionada con la compactibilidad, ya que se define como la

capacidad de la arena para fluir y llenar la cavidad del molde bajo la

acción de la fuerza de compactación. El conocer el valor de fluidez nos

dará un indicio de la aptitud de la arena para el moldeo. [4]

2.2 Corazones

Los corazones son insertos que se colocan en el molde para formar los

huecos que tendrá la fundición, comúnmente están hechos con una mezcla de

arena sílice y diferentes aglutinantes (figura 2.3). Esta mezcla de arena-resina

es inyectada de manera uniforme dentro de las cajas por una corriente de alta

presión.

Figura 2.3 Corazones de arena.

Las propiedades que se deben de tener para obtener buenos corazones

son: que resista la presión que el metal ejerce en el momento del vaciado, que

permita la salida de los gases de combustión y pirólisis del propio corazón en el

momento del vaciado, que permita la contracción del metal en el momento de la

solidificación durante el enfriamiento de la pieza y que mantenga la precisión en

las dimensiones de la pieza vaciada.

9

2.2.1 Variables a verificar de la mezcla arena-aglutinante

A) Vida de banco: Es el periodo de tiempo durante el cual una mezcla de

arena-aglutinante mantiene sus propiedades para ser usada. La

especificación es mínimo 0.55 MPa (80 psi) de resistencia a una hora de

almacenamiento de la mezcla.

B) Desarrollo de resistencia: Es la resistencia que se espera obtener en el

corazón almacenado durante cierto tiempo, es un indicador de la

resistencia del corazón desde su fabricación hasta su uso.

C) Resistencia en caliente: Es la resistencia de la mezcla de arena a altas

temperaturas. Este tipo de pruebas permiten evaluar la estabilidad térmica

de los aglutinantes ya reaccionados y con ello poder prevenir los posibles

problemas que puedan presentar los corazones en el momento del

vaciado. Estos posibles problemas son: inclusiones no metálicas por

presencia de arena suelta en el molde, suciedad en el molde, problemas

de desarenado, etc.

D) Resistencia a la humedad: Se refiere a la habilidad de la arena del

corazón en retener su forma y dimensiones a ciertas condiciones de

humedad en el ambiente. Además de hacer que el corazón tenga la

suficiente resistencia para ser manejado, las resistencias en caliente y a la

humedad; además deben ayudar al corazón a resistir la presión del metal

caliente durante el vaciado.

E) Evolución de gases: Se refiere a la cantidad de gas que la mezcla de

arena-aglutinante ya reaccionada puede generar una vez que el metal es

introducido al molde, el riesgo que existe es que este gas no encuentre

salida a través del corazón o metal y una vez ya solidificado este gas

quede atrapado en la pieza como defectos por porosidad.

10

F) Permeabilidad: Esta prueba se realiza directamente en el corazón ya

obtenido y permite conocer el grado de compactación de los granos de

arena. Este parámetro nos permite saber la facilidad con la que los gases

generados durante el vaciado puedan pasar a través del corazón y no

quedar atrapados, generando o incrementando el defecto conocido como

porosidad por gas.

G) Contenido de finos: Un alto contenido de finos (mayor a 10%) incrementa

el área de superficie a recubrir, ocasionando menores resistencias y

reduciendo la permeabilidad de los gases. Generan corazones débiles,

rotos y esponjosos.

H) pH y ADV: Altos valores de pH y demanda de acido incrementan la

velocidad de reacción de las resinas y neutralizan una porción de las

mismas. Generan corazones débiles.

I) Colapsabilidad: Habilidad de la arena aglutinada de disgregarse después

de que el molde ha sido vaciado, es la habilidad que presenta para el

desmoldeo.

J) Fluidez: Capacidad de la mezcla de arena-aglutinante para pasar con

facilidad desde la tolva hasta las cavidades del molde. [3]

2.3 Sistemas de aglutinación química

Los sistemas de resina se han desarrollado constantemente desde su

introducción a mediados de la década de 1940. El proceso de moldeo

predominante durante esta época consistía en moldeo con arena en verde, los

corazones de arena eran fabricados principalmente mediante un proceso de

curado en horno con arena aglomerada con aceite. Este método de moldeo con

aceite fue usado para construir paquetes de moldeo, que consiste en piezas

11

seccionadas que al unirlas forman un molde. Este método presentaba mejores

características dimensionales en sus piezas que las obtenidas con el moldeo en

verde.

El desarrollo de los sistemas de moldeo tomó vertiginosos cambios

después de la segunda guerra mundial. Los sistemas curados con calor, los

sistemas de resina por moldeo en cascara (Shell) y sistemas endurecidos por

gas dióxido de carbono-silicato fueron introducidos en la década de 1950. En

décadas posteriores se utilizaron resinas curadas en caja caliente, sistemas de

auto - fraguado (que curan sin la necesidad de calor) y procesos como el de

caja fría. Actualmente existen tres formas de clasificar los diferentes procesos

de aglutinación, las cuales son: en la base de su composición química, al

mecanismo catalizador y al mecanismo físico de curado.


orgánicos e inorgánicos

Los sistemas de aglutinación inorgánicos son aquellos que no contienen

carbono en su estructura molecular. Estos sistemas están basados en la

tecnología de los silicatos y fosfatos / óxido metal. Todos los demás sistemas

utilizados son orgánicos.

2.3.2 Clasificación de los sistemas de aglutinación en base al

mecanismo catalizador

Esta clasificación está dada con base en la forma en que el sistema es

químicamente catalizado. Sistemas de aglutinamiento tipo ácido (pH<7), son

curados mediante la adición de material alcalino y sistemas de aglutinamiento

básico (pH>7), son curados mediante la adición de material ácido. Existen

también otros sistemas de aglutinamiento químico curados por varios

mecanismos que son independientes de un pH.

12

2.3.3 Clasificación de los sistemas de aglutinación en base al

mecanismo del curado

Esta clasificación se basa en la forma en la cual los moldes y corazones

son físicamente curados, Tabla 2.1. En el sistema de caja fría, el curado se

lleva a cabo poniendo la mezcla en contacto con un catalizador vaporizado.

Otro sistema es el de caja caliente, el cual consiste en poner en contacto la

mezcla con una fuente de calor de curado. Finalmente el sistema no horneado

el cual consiste en mezclar todos los componentes con un catalizador líquido

que reacciona a temperatura ambiente. [4]

Tabla 2.1 Sistemas de aglutinación, clasificado con su mecanismo de curado.

2.4 Procesos de fabricación de corazones

Se pueden utilizar distintos métodos para la fabricación de corazones

como los son: el proceso de caja fría, el proceso de caja caliente, proceso Shell,

etc. A continuación se describen dos de los más utilizados. [3]

Caja fría Caja caliente No horneado Acrílico Furánico caja epóxico SO 2 caliente Furánico ácido

Fenólico caja Fenólico ácido Furánico SO 2 caliente Fenólico uretánico Fenólico éster amina Shell Fenólico Silicato de Alumino silicato uretánico sodio CO 2 Corazón en Fosfato de

aceite alúmina Fenólico CO 2

Gmbond Silicato éster

13

2.4.1 Proceso de caja fría

Este proceso inició su desarrollo a finales de los años 60’s, buscando

principalmente la reducción en los tiempos de producción de corazones, los

procesos anteriores requerían de mucho tiempo para el secado y

endurecimiento de los corazones.

El nombre de caja fría fue asignado originalmente al sistema fenol-uretano

/amina, pero recientemente se ha ampliado para cualquier proceso que utilice

un catalizador en estado gaseoso, en la cual los corazones se curan dentro de

una caja o moldes a temperatura ambiente.

Ventajas:

No requiere de calentamiento para el curado del corazón.

Alta precisión dimensional.

Alta productividad.

Excelente fluidez de la mezcla arena / resina.

Los principales componentes de este proceso son:

1. Arena: Puede ser arena nueva o arena recuperada del proceso.

2. Resinas y Aditivos: Las resinas son las sustancias semisólidas,

translucidas o transparentes que se solidifican o espesan al contacto

con el aire, la mayoría son insolubles en agua.

3. Gas catalizador: Se inyecta en forma gaseosa a la caja de

corazones.

4. Gas acarreador o aire seco: Transporta la amina gaseosa del

vaporizador a la caja de corazones. Purga el excedente de gas

catalizador durante la fabricación del corazón. El aire debe de estar a

un mínimo de 40° C.

14

Las resinas son la materia prima que se utiliza para la fabricación de

corazones, que son añadidos a la arena y que formarán la mezcla utilizada en

las máquinas sopladoras. El proceso típico cumple la secuencia de: soplado,

gaseado, purga y extracción del corazón.

2.4.1.1 Resinas fenólicas – uretánicas (Caja fría)

Este sistema aglutinante se compone de tres partes:

A) Resina Fenólica (parte 1): Fenol – formaldehído, solventes y aditivos.

B) Isocianato (parte 2): Isocianato, solventes y aditivos.

C) Catalizador (parte 3): Amina terciaria en forma de gas.

El componente reactivo es el formaldehído el cual a su vez, aporta el

grupo hidroxilo (-OH), que durante la reacción de polimerización, reacciona con

el grupo isocianato (-NCO) de la parte II para formar un poliuretano (figura 2.4).

Figura 2.4 Reacción del proceso fenólico/uretánico.

El propósito de los solventes es reducir la viscosidad de la resina, para

proveer una buena fluidez y un rápido y eficiente recubrimiento de la arena.

También incrementan la reactividad de la resina.

Los aditivos constituyen menos del 10% de las resinas y son usados para

mejorar el desmoldado, aumentar la resistencia a la humedad de los corazones

y mejorar la vida de banco.

15

El gas catalizador se inyecta en forma de gas a la caja, el cual pasa a

través de la mezcla de arena y resinas, actuando como acelerador de la

reacción que genera al poliuretano, produciendo un corazón resistente. Las

aminas más utilizadas son la trietilamina y la dimetil etilamina. [3]

2.4.2 Proceso de caja caliente

Como indica el nombre en este proceso se debe aplicar calor para que la

resina reaccione y de forma al corazón. Esta tecnología inició utilizando los

sistemas furánicos, debido a que su reacción de polimerización es muy rápida

en presencia de calor y esto fue una de las principales razones porque se

desarrollaron los furanos como un sistema de resina de caja caliente, para tener

una alternativa al proceso Shell (Croning).

En la actualidad el proceso de caja caliente no solo utiliza resinas

furánicas si no también resinas fenólicas y combinaciones de ambas (furánicas

y fenólicas), además los nuevos sistemas de resinas ecológicas como el

GMBOND® (GMB), resinas inorgánicas (INO) y Nemak Binder® (NB) utilizan el

proceso caja caliente para eliminar el agua presente en la mezcla arena resina

para formar el corazón.

El proceso de caja caliente tienen una secuencia típica de soplado, curado

y extracción. Es muy importante que primero se mezcle el catalizador con la

arena por un minuto, después de este tiempo se adiciona la resina y se mezcla

por otro minuto. Una vez lista, la mezcla es introducida por medio de aire a

presión al herramental (caja de corazones) previamente calentado, la mezcla

comienza a reaccionar al momento de entrar en contacto con el herramental

caliente, el tiempo de curado dependerá de la resistencia requerida por el

corazón para poder ser extraído del herramental sin fracturarse. La temperatura

de trabajo para el proceso de caja caliente es de 180 a 280°C; esta temperatura

16

depende de la formulación de la resina utilizada para fabricar los corazones. En

la figura 2.5 se muestra un corazón fabricado con el proceso de caja caliente.

Figura 2.5 Corazón de caja caliente.

Este proceso tiene un costo más elevado que el proceso de caja fría (CB)

y se debe principalmente al costo de energía para elevar la temperatura de los

herramentales así como a los costos de fabricación de las cajas y sopladoras

de caja caliente.

2.4.2.1 Sistemas de resina de caja caliente

La mayoría de los sistemas de resinas de caja caliente están clasificadas

en tipo furánicas y fenólicas, las furánicas contienen alcohol furfurílico, las

resinas fenólicas contienen fenol, ambos sistemas de resinas contienen urea y

formaldehido además de otros aditivos como agentes desmoldantes,

plastificantes, activadores inhibidores y modificadores de la reacción. Las

formulaciones típicas para las resinas de caja caliente son:

Alcohol furfurílico, urea – formaldehido.

Alcohol furfurílico – formaldehido.

Fenol – urea – formaldehido.

Fenol – formaldehido.

17

Las resinas furánicas reaccionan más rápido que las resinas fenólicas y

también proporcionan mejor desarenado y menos olores. Las resinas con altos

contenidos de alcohol furfurílico son usualmente las más reactivas, las resinas

fenólicas son térmicamente más estables que la resinas furánicas y tienen

mayor resistencia mecánica.

Generalidades de la reacción

La reacción en los sistemas de caja caliente se basan en una reacción de

condensación, el agua es separada de una red tridimensional y puede ser

resumida en los siguientes pasos:

1. Reacción de condensación, formación de agua.

2. La reacción es catalizada por un ácido cuya función es endurecer.

3. La reacción es promovida por el calor.

2.5 Aglutinantes Orgánicos

En los últimos años se han desarrollo resinas orgánicas base agua con

diferentes composiciones químicas en las cuales el principio es el mismo,

hidratar el aglutinante para después deshidratarlo por medio del herramental o

aire caliente. A continuación se describe uno de los sistemas mencionados.

2.5.1 Sistema de resina orgánica base agua

Entre los sistemas de resina actualmente utilizados existe un sistema

aglomerante para arena basado en proteínas solubles en agua derivadas de

una fuente natural renovable. Las materias primas son procesadas y purificadas

para dar a la resina características que permitan usarlo como aglomerante de

arenas, la resina no es tóxica y es ambientalmente benigno; su composición lo

18

hace no flamable. Las características ya mencionadas permite tener una

degradación térmica superior, poderse disolver en agua y ser completamente

no tóxico. Estas propiedades producen beneficios que, a lo largo del ciclo

completo de los corazones hacen a este sistema posiblemente más económico

y definitivamente amigable ecológicamente en referencia con los actuales

sistemas aglomerantes convencionales.

El aglomerante es una combinación de muchas moléculas polipéptidas y

largas cadenas de aminoácidos. Una importante cualidad de ésta resina es que

es soluble en agua, esto permite que el mecanismo de endurecido puede ser

reversible si agua es agregada de nuevo a la proteína.

Este proceso es muy similar al de resinas inorgánicas, es decir se agrega

agua al sistema en este caso a la arena, la reacción se lleva a cabo cuando el

corazón es deshidratado. El biopolímero forma ligas entre cada grano mientras

que el agua es removida del corazón para formar una estructura cristalina. La

figura 2.6 muestra los puentes entre granos de arena.

Figura 2.6 Puentes de resina orgánica base agua entre granos de arena.

19

El puente está determinado por la cantidad de resina agregada para la

fabricación de alguna probeta o corazones, y las propiedades mecánicas como

resistencia a la tensión estarán directamente relacionados con los parámetros

de operación.

Ventajas

Facilidad en el desarenado.

Reducción de emisiones.

Materias primas independientes del petróleo.

Reuso o reciclaje de la arena.

Desventajas

La proteína desprende un olor característico cuando es expuesto al

calor.

La habilidad de éste sistema de disolverse en agua es ventajosa solo

cuando se tenga la necesidad de realizar operaciones para llevar a cabo un

desarenado muy eficiente. [4]

2.6 Aglutinantes Inorgánicos

La decisión de usar sistemas químicos aglutinantes para moldes y

corazones de arena en una operación de fundición está basada en la

evaluación de muchos factores. Algunos de estos factores a considerar son la

producción, los costos de operación, calidad, impacto ambiental, equipo, entre

otros. El principal logro en la decisión de este proceso es el de producir piezas

de fundición de buena calidad al más bajo costo con los recursos disponibles.

En la figura 2.7 se muestra una comparación en la producción de piezas de

aluminio usando corazones orgánicos e inorgánicos, en esta imagen se puede

apreciar la ausencia de emisiones al aire usando corazones inorgánicos.

20

Figura 2.7 Producción de piezas de aluminio y formación de emisiones usando

corazones orgánicos (izquierda) y corazones inorgánicos (derecha).

2.6.1 Principios fundamentales de los aglutinantes inorgánicos

Los aglutinantes inorgánicos siempre han sido utilizados en las prácticas

de fundición, particularmente para hacer moldes y corazones grandes. Debido

al incremento de requerimientos de tiempos, así como también en la geometría

y calidad de las piezas, los ya probados sistemas de aglutinación inorgánico

han sido desplazados por la mayor parte en procesos orgánicos, tales como

caja fría base poliuretano, resol-CO2, caja caliente fenólica o de furano. [3]

Fue hasta principios del año 2000 cuando las nuevas tecnologías de los

aglutinantes base inorgánicas comenzaron a utilizarse de nuevo en las

fundiciones de aluminio, debido a que las regulaciones ambientales exigen

disminuir las emisiones de agentes contaminantes al aire tales como el

benceno, tolueno y xileno, así como el incremento en el costo del confinamiento

de la arena utilizada en la fundición. Alemania es el principal país de la

comunidad europea donde se están desarrollando los nuevos sistemas de

resinas inorgánicas debido a su gran industria de fundición. [5]

21

2.6.2 Silicatos

Las soluciones de silicato son solución alcalinas que tienen un pH de 9 a

11 y están formadas de SiO2 y M2O cuya fórmula es xSiO2yM2O, M puede ser

sodio (Na), potasio (K) o litio (Li), la principal diferencia entre las soluciones de

silicatos se encuentra en la relación entre estos dos compuestos SiO2 y M2O la

cual puede variar desde 2:1 hasta 3:1 y tiene una influencia directa sobre las

propiedades de la solución y de los corazones. También se pueden preparar

mezclas de varios silicatos para mejorar la estabilidad química y viscosidad de

la solución.

El incrementar la concentración de silicato en la solución tiene diferentes

efectos como el aumento de la viscosidad de la solución y la resistencia

mecánica de los corazones, aumenta la resistencia a la humedad y la

resistencia térmica de los corazones.

El agregar aditivos a la solución de silicato tiene como objetivo disminuir la

viscosidad de la solución, mejorar el acabado superficial de la pieza,

incrementar la estabilidad dimensional de los corazones, aumentar la vida útil

de la mezcla, mejorar la plasticidad de los corazones, acelerar el proceso de

deshidratación para disminuir el tiempo de fabricar los corazones, estos aditivos

pueden ser fosfatos, boratos, sulfatos, polioles, silicones, etc.

2.6.2.1 Reacción de polimerización de los silicatos

Los silicatos de sodio pueden experimentar cuatro distintas reacciones

químicas: hidratación/deshidratación, gelación/polimerización, precipitación y

modificación de la carga superficial. Estas reacciones permiten al silicato actuar

como un aglutinante en película, aglutinante en una matriz o aglutinante

químico.

22

Hidratación/Deshidratación: Como el agua es removida del silicato líquido,

el silicato llega a ser progresivamente más viscoso. La remoción de una relativa

pequeña cantidad de agua convertirá al silicato líquido en una película de vidrio.

Los silicatos líquidos con una relación en peso de 3:2 están mejores adaptados

para actuar como un aglutinante en película. Un contenido más bajo de álcali de

un silicato de relación 3:2 tiene menos afinidad por el agua y por lo mismo

puede secarse más rápido, pero para lograr más resistencia al agua, algo de

calor o algún reactivo químico se necesitaría.

Gelación/Polimerización: Las reacciones de gelación/polimerización

ocurren rápidamente cuando el pH del silicato líquido cae por debajo de 10.7,

ya que los silicatos de sodio reaccionan con compuestos ácidos. Las especies

de silicato comienzan entrecruzándose para formar polímeros hasta formar un

“gel”. Cuando se acidifican silicatos disueltos de concentraciones relativamente

diluidas se pueden formar “soles” activados. El grado de polimerización de los

aniones de las soluciones de silicato de sodio depende de la concentración de

la solución, la temperatura, pH y otros factores. Aunque el enlace formado por

el silicato polimerizado no es tan fuerte como el enlace formado por

deshidratación, éste tiene un mayor grado de resistencia al agua. Esta reacción

puede jugar un rol en la aglomeración, donde la superficie del material siendo

aglomerado se acidifica o el material siendo aglomerado es expuesto a un

ambiente alto de CO2. Algunas compuestos pueden ser añadidos al silicato

para inducir a la gelación/polimerización, tales como ácidos orgánicos, ésteres o

carbonatos. La adición de éstos compuestos que inducen a la polimerización es

muy común en la industria de la fundición. Un silicato de relación 3:2 es el mejor

para promover la reacción de gelación/polimerización.

Reacción de Precipitación: Los silicatos solubles reaccionan

instantáneamente con cationes metálicos multivalentes para formar el

correspondiente precipitado de silicato metálico insoluble. Ejemplos de iones

metálicos comunes que son reactivos con el silicato son: Ca2+, Mg2+, Zn2+, Cu2+,

23

Fe3+, etc. Si el material a ser aglomerado contiene una significante cantidad de

cationes en su superficie, el silicato puede actuar como un aglutinante químico.

Las cenizas volantes son un ejemplo de un material que puede ser enlazado

químicamente con silicato. Este tipo de reacciones puede usarse para formar

pigmentos y compuestos que pueden utilizarse como extensores o selladores

por medio de un intercambio iónico, catalizadores, absorbentes, etc. El cloruro

de calcio reacciona instantáneamente con soluciones de silicato. Las superficies

de cemento Portland son endurecidas y se hacen menos porosas cuando se

aplica una solución de silicato a pisos o paredes.

Interacción con compuestos orgánicos: Relativamente pocos compuestos

orgánicos son compatibles con soluciones de silicato soluble concentrado.

Solventes polares pueden causar una separación de fase o deshidratación.

Para compuestos como la glicerina, sorbitol de azúcar y etilenglicol son

miscibles y algunas veces se usan como humectantes y ayudan a plastificar la

película de silicato. Los agentes de ésteres orgánicos son utilizados para

producir un retraso en el tiempo de gelación de las soluciones de silicato. [3]

2.6.2.2 Proceso de deshidratación

El proceso de deshidratación depende de la relación o módulo de

componentes químicos utilizados en la fabricación de la resina y la temperatura

del proceso, entre mayor sea la relación óxido de sodio – óxido de silicato y la

temperatura, el agua se separará más rápidamente.

El proceso de endurecimiento incluye fases químicas y físicas: El silicato

de sodio precipita al cambiar el pH y subsecuentemente gana estabilidad como

resultado de la deshidratación (figura 2.8).

24

Características del proceso:

La reacción es reversible.

Los corazones quedan libres de agua, por lo que tienen una mayor

capacidad de almacenamiento.

Las resistencias que se obtienen son muchos mayores, solo se agregan

pequeñas cantidades de aglutinantes.

No se produce carbonato de sodio, por lo que no se forman gases a

temperaturas de fundición.

Figura 2.8 Proceso de deshidratación del aglutinante base silicato.

2.6.3 Fabricación de corazones con resina inorgánica

La fabricación de corazones con la resina inorgánica al igual que todos los

sistemas de aglutinación química inicia con el mezclado de la arena con la

resina. Posteriormente la mezcla es colocada en la placa de soplo. La mezcla

es introducida en la caja de corazones mediante una presión de aire.

Usualmente la caja de corazones se encuentra en un rango de temperatura

entre los 80 y 200°C, esta temperatura dependerá del sistema empleado.

H2O

Agua silicato Puentes de silicato

25

Debido a que la reacción química para la formación del corazón

desprende agua es necesario utilizar calor, para acelerar el proceso de

deshidratación del corazón y remover el agua generada por la reacción química.

Los corazones fabricados con resinas inorgánicas son altamente

higroscópicos (absorben agua del medio ambiente) y por tal razón sus

propiedades mecánicas disminuyen debilitando a los mismos, por lo cual no se

pueden almacenar los corazones durante mucho tiempo como es el caso de los

corazones de caja fría (figura 2.9).

Figura 2.9 Efecto de la humedad sobre los corazones inorgánicos.

Como en otros sistemas, sólo un proceso correcto puede asegurar la

buena calidad de los enlaces producidos por la resina. La figura 2.10 muestra

un enlace entre dos granos de arena por medio de la deshidratación de una

solución de silicato de manera correcta e incorrecta.

Corazón inorgánico. Corazón de caja fría.

26

Figura 2.10 Correcta extracción del agua (izquierda), incorrecta extracción

del agua (derecha).

2.6.4 Principales ventajas y desventajas de los aglutinantes

inorgánicos

Los sistemas inorgánicos de aglutinación usando silicatos presentan las

siguientes ventajas:

El proceso es ambientalmente limpio.

Las materias primas son abundantes y relativamente baratas.

Cualquier tipo de mezclador puede ser utilizado.

Es completamente compatible con moldes de plástico, madera y

metales.

Trabajan muy bien con moldes horneados de arena en verde.

Sin embargo, algunas de las desventajas que presentan estos tipos de

aglutinantes se enlistan a continuación:

Bajas resistencias que presentan los corazones en condiciones

extremas de humedad.

27

Los corazones que presentan puentes o canales delgados tienden a

agrietarse con facilidad, debido a su fragilidad.

Mal desarenado.

Arena pegada en las piezas metálicas, sobre todo en aquellas partes

donde el desarenado fue malo.

Recuperación de la arena con silicato, debido a que los granos de

arena quedan con capas de silicato de sodio, lo que hace que el pH

de la arena aumente.

28

Capítulo III

Desarrollo Experimental

3.1 Introducción

El objetivo de este trabajo es evaluar el comportamiento de las arenas

angulares, utilizando aglutinantes orgánicos e inorgánicos mediante distintas

pruebas y técnicas de laboratorio, con el propósito de obtener resultados que

comprueben si dichas arenas y aglutinantes son factibles para la fabricación de

corazones.

El proceso experimental se dividió en dos partes:

1. Caracterización de las arenas mediante:

AFS y porcentaje de finos.

L.O.I.

Medición de pH.

Microscopía óptica.

2. Caracterización de la mezcla arena – aglutinante mediante:

Verificación de las propiedades mecánicas:

o Desarrollo de resistencias a la tensión en cámara húmeda.

o Desarrollo de resistencias a la tensión en condiciones de laboratorio.

Microscopía electrónica de barrido.

29

3.2 Caracterización de la arena

3.2.1 Distribución granulométrica y cantidad de finos

El análisis granulométrico se lleva a cabo por medio del método AFS

(American Foundrymen Society) que utiliza el agitador de cribas “Ro-tap” para

obtener las distribuciones granulométricas que contiene cada tipo de arena.

El procedimiento consiste en hacer un muestreo de la arena llamado

cuarteo; después se toma una muestra que puede pesar de 25 g a 30 g y esta

se coloca en el agitador de mallas.

Este equipo vibra durante cierto tiempo para que la arena se retenga

según su tamaño en las mallas de diferentes aberturas. Después se pesa el

retenido de arena en cada una de las mallas. El equipo empleado se muestra

en la figura 3.1. La distribución granulométrica proporciona información sobre la

variación de tamaños de granos que contiene la arena, así como los

porcentajes de cada tamaño. [6,7]

Figura. 3.1 Agitador de mallas Simpson, utilizado para realizar el análisis

granulométrico.

30

3.2.2 L.O.I.

El análisis de pérdidas por ignición fue utilizado para conocer el contenido

de material orgánico presente en la arena. El procedimiento consiste en colocar

de 4 a 6 g de arena seca en un crisol de porcelana pesado previamente. Se

coloca el crisol en una mufla a 980 ± 5°C durante 1 hora (figura 3.2). Después

de extraer el crisol de la mufla se pesa en una balanza analítica para calcular el

contenido de orgánicos (L.O.I.), de acuerdo a la siguiente fórmula: [9]

% LOI =

x 100

Peso 1: peso del crisol vacio.

Peso 2: peso del crisol + arena antes de calcinar.

Peso 3: peso del crisol + arena después de calcinar.

Figura 3.2 Mufla para realizar pruebas de perdidas por ignición.

31

3.2.3 Medición de pH

La medición de pH se realiza siguiendo un procedimiento establecido de

laboratorio, el cual indica que a una muestra de 50 g de arena se agreguen 100

ml de agua destilada, se agita por un lapso de 5 minutos y se toma la lectura del

valor final, la lectura está indicada por un equipo específico mostrado en la

figura 3.3 llamado medidor de pH.

Figura. 3.3 Medidor de pH.

Altos contenidos de pH y demanda de ácido incrementan la velocidad de

reacción de las resinas y neutralizan una porción de las mismas, acortando la

vida útil de la mezcla arena-resina, generando corazones débiles. [10]

32

3.2.4 Microscopía óptica

La forma del grano es una de las características fundamentales para la

producción de corazones de arena, debido a que de ésta dependerá el

consumo de resinas. Como ya se ha mencionado, existen tres formas de grano:

angular, subangular y redondo. [3]

La caracterización visual de la arena se llevó a cabo con un estereoscopio

Olympus SZH10, como el que se muestra en la figura 3.4. Para estudiar la

morfología de los tipos de arena a experimentar.

Figura 3.4 Estereoscopio Olympus SZH10.

33

Para determinar el grado de angularidad que presentaban los tipos de

arena sometidos a experimentación, se analizaron las micrografías por medio

del Diagrama de Krumbein (Figura 3.5) [3] que indica el grado de redondez y

esfericidad que puede presentar un grano.

Figura 3.5 Diagrama de Krumbein.

El primer dígito se refiere a la característica de redondez y el segundo

hace referencia a su característica de esfericidad, la figura 3.6 muestra

ejemplos de una partícula con diferentes valores de redondez.

Figura 3.6 a) Partícula con valor de 0.1 de redondez, b) partícula con valor de

0.9 de redondez.

34

3.3 Caracterización de la mezcla arena-aglutinante

3.3.1 Desarrollo de resistencias

Identificación de variables:

Tipos de aglutinante.

o Orgánico (NB)

o Inorgánico (NIB)

o Híbrido (NHB)

Tipos de arenas.

o Weserkies

o BO56

o H31

o H32

o H33

o Arena de Monterrey (MTY)

Humedad Relativa.

o 90%

o 40%

Identificación de parámetros de pruebas:

% de aglutinante, (dependiendo de cada tipo).

Presión de soplo.

Temperatura y tiempo de curado.

Condiciones ambientales de temperatura y % de humedad.

35

Para el desarrollo de resistencias se realizaron 54 pruebas, fabricando 648

probetas con los 6 tipos de arena y los 3 tipos de aglutinante. Se evaluaron las

resistencias a la tensión a 3 diferentes tiempos, a dos difrentes porcentajes de

humedad y a una temperatura ambiente de 25°C. En la Tabla 3.1 se muestra el

diseño de experimentos en el que se basó para evaluar el desarrollo de

resistencia de las probetas.

Tabla 3.1. Diseño de experimentos para el desarrollo de resistencia.

Diseño de experimentos Condiciones

Aglutinante Repeticiones

Total de pruebas

Huemdad Relativa (%) Tiempo (hr)

6 Tipos de arena

NB 3 18

90

0

1

24

40

0

1

24

NIB 3 18

90

0

1

24

40

0

1

24

NHB 3 18

90

0

1

24

40

0

1

24

36

3.3.2 Procedimiento y equipo utilizado para la elaboración de

probetas

El procedimiento para la fabricación y análisis de probetas es a partir de

una mezcla de arena – aglutinante.

Se comienza pesando en un recipiente metálico 1400 g de la arena a

analizar, y a continuación se adiciona a la arena de uno por uno la cantidad de

resina y aditivos necesarios para formar la mezcla de arena a utilizar. Se agita

en un mezclador de arena Hobart (figura 3.7) por espacio de 45 segundos para

cada uno de los aditivos y/o resinas y es muy importante asegurarse que no

queden grumos en la mezcla.

Teniendo ya la mezcla de arena-aglutinante, se pasa a soplar para

obtener de 10 a 12 probetas para sus posteriores ensayos mecánicos.

Figura 3.7 Mezclador de arena – aglutinante Hobart.

37

3.3.3 Elaboración de probetas por caja caliente

El proceso de caja caliente implica soplar la mezcla de arena dentro de

una caja calentada por medio de resistencias eléctricas. El propósito de este

proceso es el de deshidratar los corazones de arena por medio del uso de calor,

para así remover el agua de los aglutinantes liquidos y promover el proceso de

curado. Se puede decir que el catalizador en este proceso es el mismo calor.

Sin embargo, el uso de la caja caliente como medio de curado también puede

ser acompañado por medio del uso de otro medio, tal como algún aditivo o

catalizador líquido, o el uso de aire para promover el secado. [3]

Dentro de la caja caliente se sopla la mezcla de arena y resina, usando

aire comprimido y seco. La figura 3.8 muestra la sopladora de caja caliente que

se utilizó para la elaboración de las probetas.

Figura 3.8 Sopladora Redford de caja caliente.

El tiempo de curado para las probetas fabricadas en la sopladora de caja

caliente fue de 3 minutos. En cuanto a la temperatura de curado, fue de 150°C

para eliminar en su mayoría el agua contenida en las probetas.

38

3.3.4 Análisis de propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas son las propiedades más importantes que van

a tener los moldes y corazones de arena, esta propiedad implica la capacidad

para ser manejados, transportados, ensamblados y de resistencia en el

momento del vaciado. Cualquier agrietamiento o porosidad en el corazón puede

ocasionar que éste se colapse al momento de ser utilizado. La capacidad de

almacenamiento del corazón tiene que ser lo suficientemente alta como para

resistir varios días sin ser usado en las condiciones de humedad relativa

presentes en el ambiente. [3]

Las condiciones a las que fueron sometidas las probetas para evaluar sus

propiedades mecánicas fueron las siguientes:

Resistencia inmediata: es la resistencia mecánica que presenta la probeta

inmediatamente después que ha sido fabricada, esta debe cumplir un

mínimo de 0.55 MPa requeridos por especificación. [4]

Desarrollo de resistencia: es la resistencia mecánica que presenta la

probeta después de un tiempo de fabricación expuesto a temperatura y

humedad relativa del laboratorio, (se recomienda un valor mínimo de 1.03

MPa). En este caso, el ensayo fue realizado a una hora y a 24 horas

despues de la fabricación de la probeta. [4]

Desarrollo de resistencia a alta humedad relativa: es la resistencia

mecánica que presenta la probeta después de un tiempo de fabricación

expuesto a temperatura de 25°C y una humedad relativa de 90%. En este

caso, el ensayo fue realizado a una hora y a 24 horas después de la

fabricación de la probeta.

39

Las probetas de tensión usadas en estos ensayos tienen las dimensiones

que se muestran en la figura 3.9 y es de acuerdo a la norma AFS número

107-00-S.

Figura 3.9 Probetas de tensión. [11]

3.3.5 Cámara de Humedad

Para realizar las pruebas mecánicas a diferentes porcentajes de humedad

relativa, se utiliza una cámara húmeda como la que es mostrada en la figura

3.10, en donde se puede controlar el porciento de humedad y la temperatura.

El método para utilizar este equipo consiste en meter las probetas que se

quieren analizar, cerrar la compuerta de la cámara, y controlar la temperatura a

25°C y al porcentaje de humedad que se desee, para después de ciertas horas

retirar las probetas y evaluar sus propiedades mecánicas.

40

Figura 3.10 Cámara Húmeda.

Las probetas de resistencia a la tensión fueron ensayadas en el

tensómetro mostrado en la figura 3.11.

Figura 3.11 Tensómetro digital para probetas Simpson Gerosa.

41

3.3.6 Microscopía Electrónica de Barrido (SEM)

El SEM (Scanning Electron Microscope) es un tipo de microscopio

electrónico que muestra la superficie de una muestra mediante un barrido con

un haz de electrones de alta energía. Los electrones interactúan con los átomos

para producir señales que contienen información acerca de la topografía de la

superficie de la muestra.

En el presente trabajo se aplica esta técnica para observar los tipos de

puentes existentes entre los granos por el aglutinante, de acuerdo al método

usado. [3] En la figura 3.12 se muestra una imagen del microscopio que se

utilizó para esta parte de la experimentación.

Figura 3.12 Microscopio electrónico de barrido.

42

Capítulo IV

Resultados y discusión

4.1 Introducción

En este capítulo se analizan y discuten los resultados obtenidos en las

diferentes pruebas realizadas a cada tipo de arena para su caracterización, así

como el desarrollo de resistencias de las diferentes mezclas de arena-

aglutinante y sus micrografías obtenidas mediante microscopía electrónica de

barrido (SEM).

4.2 Caracterización de las arenas

Para poder comparar el efecto que tendrán los aglutinantes sobre las

arenas angulares utilizadas en la presente experimentación, primeramente se

tuvieron que conocer las características de cada una de ellas mediante distintas

pruebas utilizadas a nivel laboratorio. Los resultados obtenidos se comparan

con la arena MTY de tipo redondo que es utilizada actualmente por la empresa

Nemak para la fabricación de corazones.

El objetivo de experimentar con arenas de tipo angular es obtener

resultados que justifiquen que dichas arenas y aglutinantes podrán ser

utilizadas para la producción de corazones, así que es importante observar las

características de las arenas antes y después de ser pasadas por los 3

sistemas de aglutinantes.

43

4.2.1 Distribución granulométrica

La distribución granulométrica proporciona información que indica si la

arena es de tipo gruesa, mediana o fina. Antes de cada análisis de AFS

(American Foundrymen Society), las arenas fueron agitadas en sus respectivas

tinas de depósito para evitar la segregación, después fueron vaciadas en un

cuarteador metálico con el fin de tener muestras homogéneas de cada tipo de

arena y por último cada muestra fue cribada en el analizador de mallas. La tabla

4.1 muestra los valores de AFS de cada una de las arenas así como su

porcentaje de finos después de ser cribadas.

Tabla 4.1 Valores de AFS y porcentaje de finos de las arenas.

Los valores mostrados anteriormente indican que las arenas H31, H32 y

principalmente la arena Weserkies son de tipo gruesa, obteniendo un

porcentaje de finos de casi 0, las arenas Bo56 y H33 son de tipo fina,

obteniendo un porcentaje de finos de 1.5 y 1.2, a comparación de la arena MTY

(de grano redondo), que usamos de referencia, obtiene un porcentaje de finos

de 0.5 y es de tipo mediano.

AFS % de finos

Weserkies

Bo56

50

H31

0

57 1.5

MTY

Tipo de arena

22

0.5

40 0

45H32

H33

0.4

56 1.2

44

En el apéndice A se muestran las gráficas de distribución granulométrica

obtenidas para cada tipo de arena.

4.2.2 L.O.I.

El análisis de pérdidas por ignición (L.O.I.) es útil para conocer el

contenido de material orgánico que está presente en la arena, cuando es nueva

alrededor del 98 % de su composición química es bióxido de sílicio, el resto es

material orgánico, carbonatos y arcillas que provienen de la mina donde se

extrajo y cuando se trata de arena recuperada, el contenido orgánico presente

es el residual del aglutinante que se usó en el proceso y que no se quemó

durante la recuperación térmica.

En esta parte de la experimentación, las arenas se analizaron tal y como

son usadas durante el proceso de fabricación de corazones, en las que solo la

MTY es arena recuperada. En la tabla 4.2 se muestran los resultados obtenidos

de las pruebas de L.O.I.

Tabla 4.2 Valores de L.O.I. de las arenas.

% L.O.I.Tipo de arena

Weserkies 0.20

Bo56 0.10

H31 0.12

H32 0.18

H33 0.12

MTY 0.03

45

Los valores mostrados anteriormente indican que las arenas angulares

presentan un % de L.O.I. más alto a diferencia de la arena MTY, esto es debido

a que son arenas nuevas que no han pasado por un proceso de recuperación

térmico y que naturalmente aún contienen compuestos orgánicos.

4.2.3 Medición de pH

El pH es un parámetro que mide la pureza química de la arena y

determina su grado de acidez o alcalinidad. En algunos casos la arena con

carácter alcalino es perjudicial durante el proceso, como cuando se mezcla con

resinas de caja fría porque aceleran drásticamente la reacción entre las resinas

y disminuyen el tiempo de almacenaje de la mezcla arena-aglutinante.

Figura 4.1 Valores de pH de las arenas.

En la Figura 4.1 se muestran los valores de pH obtenidos en cada arena,

donde se puede observar que las angulares presentan un pH neutro a

diferencia de la MTY recuperada que presenta un pH más alcalino, esto se

debe a que durante el proceso de recuperación térmica se generan

7.00 7.10 7.01 7.15 7.15

8.70

Weserkies Bo56 H31 H32 H33 MTY

pH de las arenas

46

componentes de naturaleza alcalina como el óxido de calcio (CaO), alúmina

(Al2O3), y óxido de magnesio (MgO), entre otros. En el apéndice B se muestran

respectivamente los análisis químicos de cada tipo de arena.

4.2.4 Microscopía óptica

En las siguientes figuras se muestra la forma de grano de las arenas

analizadas en este proyecto, las cuales fueron clasificadas mediante el

diagrama de redondez y esfericidad de Krumbein. [3]

Figura 4.2 Micrografía de la arena Weserkies a 20x.

La figura 4.2 muestra los granos de la arena Weserkies los cuales son

descritos como muy angulares y muy esféricos por sus múltiples aristas y caras

planas, y según el diagrama de Krumbein se le ha asignado un valor de 0.19,

no se aprecia la presencia de granos finos.

47

Figura 4.3 Micrografía de la arena Bo56 a 40x.

Los granos de la arena Bo56 se muestran en la figura 4.3 y caen dentro de

la especificación de un grano angular esférico con un valor de 0.33, además se

aprecia de manera significativa gran cantidad de granos finos.

Figura 4.4 Micrografía de la arena H31 a 40x.

48


.


Las arenas Haltern H31, H32 y H33 se muestran en las figuras 4.4, 4.5 y

4.6 presentando un tipo de grano subangular muy similar, variando un poco su

esfericidad, se les ha asignado un valor de clasificación de 0.57.

49

Figura 4.7 Micrografía de la arena MTY a 40x.

En cuanto a los granos de la arena MTY (Figura 4.7), estos presentan una

forma redonda muy esférica obteniendo el valor máximo de 0.99.

4.3 Caracterización de la mezcla arena-aglutinante

4.3.1 Desarrollo de resistencia

El desarrollo de resistencia de los corazones es una prueba muy

importante que se realiza para evaluar cuanto resistirá un corazón conforme

pasan las horas; Este tiende a incrementarse con el tiempo debido a que el

entrecruzamiento de las cadenas en la reacción de polimerización no se lleva a

cabo al 100% al momento de curado en la fabricación de corazones y probetas,

por lo que, los puentes del aglutinante seguirán desarrollándose y

endureciéndose entre los granos de arena después de ser fabricados. A

continuación se muestran los resultados obtenidos a 40% de humedad relativa

en un periodo de 0, 1 y 24 horas de almacenaje para cada tipo de aglutinante.

50

En la figura 4.8 con aglutinante orgánico, los resultados muestran un

aumento en las resistencias conforme pasa el tiempo, sin embargo las

propiedades inmediatas obtenidas fueron bajas y en desarrollo de resistencia

no se obtuvieron resultados que garanticen el buen manejo de los corazones.

En este caso las bajas propiedades obtenidas no se deben a la forma angular

de los granos ya que la arena MTY de grano redondo tampoco presentó buenos

resultados, la causa más probable es que se necesite incrementar el porcentaje

de resina para garantizar un mejor recubrimiento entre los granos de arena.

Figura 4.8 Desarrollo de resistencia de las diferentes arenas mezcladas con

aglutinante orgánico.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

0 1 24

Re

sist

en

cia

(MP

a)

Tiempo (hr)

Bo56 - NB - 40

H31 - NB - 40

H32 - NB - 40

H33 - NB - 40

MTY - NB - 40

Weserkies - NB - 40

51

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0 1 24

Re

sist

en

cia

(MP

a)

Tiempo (hr)

Bo56 - NIB - 40

H31 - NIB - 40

H32 - NIB - 40

H33 - NIB - 40

MTY - NIB - 40

Weserkies - NIB - 40

La figura 4.9 muestra los resultados que se obtuvieron utilizando

aglutinante inorgánico, todas las arenas a excepción de la Weserkies (por ser

muy gruesa) cumplen con las especificaciones mínimas requeridas para

resistencia inmediata y desarrollo de resistencias que aseguran un óptimo

manejo de los corazones.

Las resistencias de las probetas aumentaron considerablemente a 1 hora

de haber sido fabricadas, debido a que los puentes entre los granos continúan

desarrollándose, inclusive en el caso de las H32, H31 y Bo56 continúan

desarrollándose hasta las 24 horas. Los resultados obtenidos fueron buenos y

constantes, por lo que podemos deducir que a humedades de 40% se pueden

almacenar corazones inorgánicos exitosamente hasta por un día sin que estos

se colapsen al momento del vaciado.


aglutinante inorgánico.

52

En la figura 4.10 se presentan los resultados obtenidos con aglutinante

híbrido, de 0 a 1 hora hay gran aumento de resistencias, obteniendo como

resistencia máxima 1.8 MPa. A las 24 horas las propiedades disminuyen un

poco, debido a que los puentes entre los granos de arena dejan de

desarrollarse y de endurecer. Las propiedades obtenidas con el aglutinante

híbrido fueron buenas, la mayoría de las arenas superaron las especificaciones

en resistencia inmediata y desarrollo de resistencia.


aglutinante híbrido.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

0 1 24

Re

sist

en

cia

(MP

a)

Tiempo (hr)

Bo56 - NHB - 40

H31 - NHB - 40

H32 - NHB - 40

H33 - NHB - 40

MTY - NHB - 40

Weserkies - NHB - 40

53

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Bo56 H31 H32 H33 MTY Weserkies

Res

iste

nci

a (M

Pa)

Arena

NB

NHB

NIB

En la figura 4.11 se muestran las propiedades mecánicas obtenidas

inmediatamente después de que se retiraron las probetas de la sopladora de

caja caliente. Usando aglutinante híbrido e inorgánico los resultados fueron

satisfactorios, la mayoría de las arenas superaron el valor de 0.55 MPa

recomendado para resistencia inmediata. En cuanto al aglutinante orgánico, no

se obtuvieron buenas propiedades ya que en ninguno de los casos se superó

los 0.55 MPa, además las probetas presentaban un aspecto arenoso.

Figura 4.11 Resistencias inmediatas obtenidas de cada una de las arenas con

los 3 tipos de aglutinantes.

54

Los resultados que muestran las figuras 4.12 y 4.13 indican que a 1 y 24

horas la mayoría de las arenas cumplen o superan el valor mínimo de 1.03 MPa

recomendado para desarrollo de resistencia, sin embargo las mejores

propiedades se obtuvieron con el aglutinante inorgánico que superan a los otros

dos tipos de aglutinantes, esto se debe a que el enlace que presenta el

inorgánico es más fuerte que el del aglutinante orgánico.

En el desarrollo de resistencia, todas las probetas independientemente del

aglutinante con el que fueron fabricadas, presentaron un incremento de

resistencias de 0 a 1 horas, inclusive en el caso de algunas arenas con

inorgánico el incremento continuó hasta las 24 horas. Principalmente esto es

debido a que el entrecruzamiento de aglutinantes que forman los puentes entre

los granos, continúan desarrollándose y se hacen más fuertes a la hora de

haber sido fabricadas, esto explica el incremento de la resistencia a la tensión

en las probetas.

Las mejores propiedades se obtuvieron con las arenas Haltern y MTY

debido a que las Haltern presentan una morfología de grano no tan angular y en

el caso de la MTY un grano redondo. En cuanto a la arena Weserkies, no

superó los valores mínimos de resistencia con ninguno de los tres tipos de

aglutinante debido a que presenta una morfología de grano muy angular y es de

tamaño muy gruesa.

Los aglutinantes con mejores resultados a 40% de humedad fueron el

híbrido y principalmente el inorgánico, obteniendo valores óptimos que

aseguran que los corazones resistirán su manejo, esto es debido a que el

enlace que forma el aglutinante inorgánico es más fuerte que el del orgánico

que presentó los peores resultados en esta parte de la experimentación.

55

Figura 4.12 Desarrollo de resistencia a 1 hora de cada una de las arenas con


Figura 4.13 Desarrollo de resistencia a 24 horas de cada una de las arenas con


0

0.5

1

1.5

2

2.5


Re

sist

en

cia

(MP

a)

Arena

NB

NHB

NIB

0

1

2

3

4

5

6


Re

sist

eb

nci

a (M

Pa)

Arena

NIB

NHB

NB

56

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 1 24

Re

sist

en

cia

(MP

a)

Tiempo (hr)

Bo56 - NB - 90

H31 - NB - 90

H32 - NB - 90

H33 - NB - 90

MTY - NB - 90

Weserkies - NB - 90

4.3.2 Desarrollo de resistencia en cámara húmeda

El desarrollo de resistencia en cámara húmeda se realiza para evaluar el

efecto de la humedad sobre las propiedades mecánicas de los corazones en

condiciones extremas de almacenaje (90% de humedad relativa en un periodo

de 1 y 24 horas). Los resultados obtenidos a se muestran a continuación.

En la figura 4.14 se muestran los resultados con aglutinante orgánico. Las

propiedades obtenidas con este aglutinante a 90% de humedad son muy malas

y ninguna de las arenas cumple con el valor recomendado de 1.03 MPa para

desarrollo de resistencias. Después de la hora de almacenamiento se puede

observar un decremento en las resistencias, esto es debido a que los

corazones a ese tiempo ya contienen mucha humedad y ocasiona que los

puentes que unen a los granos comiencen a debilitarse por la formación de

grietas provocando la disminución de propiedades mecánicas en las probetas.



57

En la figura 4.15 se presentan los resultados obtenidos con aglutinante

inorgánico, El porcentaje de humedad a la hora de almacenamiento no afecta

las propiedades de las probetas, los resultados obtenidos son similares a los

que se obtuvieron con 40% de humedad. Sin embargo, después de la hora sus

propiedades tienen un significativo decremento y para las 24 horas las

resistencias son menores a los 0.5 MPa, esto se debe a que el silicato de sodio

contenido en el aglutinante inorgánico es un compuesto altamente higroscópico,

esto quiere decir que absorbe agua del medio ambiente y por tal razón las

probetas inorgánicas disminuyen drásticamente sus propiedades.



0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0 1 24

Re

sist

en

cia

(MP

a)

Tiempo (hr)

Bo56 - NIB - 90

H31 - NIB - 90

H32 - NIB - 90

H33 - NIB - 90

MTY - NIB - 90

Weserkies - NIB - 90

58

Los resultados en la figura 4.16 con aglutinante híbrido muestran que las

resistencias obtenidas no son buenas ya que solo la arena MTY pasa el valor

de 1.03 MPa a la hora de almacenaje. Debido a que el aglutinante híbrido

también contiene una cantidad de silicato de sodio se presenta un

comportamiento similar al del aglutinante inorgánico, las propiedades bajan

drásticamente después de 1 hora obteniendo resistencias menores a 0.3 MPa a

24 hrs.



La humedad relativa afecta seriamente el desarrollo de resistencia de las

probetas independientemente del tipo de aglutinante que se use para su

fabricación. Las probetas fabricadas disminuyeron sus propiedades debido a

que el agua es el principal solvente en estos 3 tipos de aglutinantes, es decir

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 1 24

Re

sist

en

cia

(MP

a)

Tiempo (hr)

Bo56 - NHB - 90

H31 - NHB - 90

H32 - NHB - 90

H33 - NHB - 90

MTY - NHB - 90

Weserkies - NHB - 90

59

que los aglutinantes ya deshidratados vuelven a hidratarse al absorber la

humedad contenida en el ambiente, ocasionando que los puentes que unen a

los granos comiencen a debilitarse formando defectos como grietas y porosidad

que darán como resultado bajas resistencias mecánicas.

Con los resultados obtenidos en esta parte de la experimentación

podemos deducir que, a altos contenidos de humedad es imposible mantener

corazones con buenas resistencias por más de una hora.

4.3.3 Caracterización por microscopía electrónica de barrido

Por presentar las mejores propiedades, las probetas con 40% de humedad

fueron analizadas mediante microscopía electrónica de barrido con la finalidad

de observar las características de los puentes existentes entre los granos

formados por los tres tipos de aglutinante, esto nos ayudará a entender mejor

los resultados que se obtuvieron en las pruebas de desarrollo de resistencias.

Aglutinante Orgánico (NB)

En las figuras 4.17 y 4.18 se pueden observar con claridad que el

aglutinante orgánico no forma puentes uniformes o bien forma puentes muy

pequeños que darán como resultado bajas resistencias en los corazones. La

falta de uniformidad en los puentes es debido a la viscosidad que presenta este

tipo de aglutinante y a la forma angular de los granos de arena, esto provoca

que el aglutinante no se arrastre o escurra de manera homogénea.

Una uniformidad del aglutinante sobre los granos de arena permitirá que

las resistencias sean altas, ya que todos los granos se estarán recubriendo

completamente y los puentes formados serán fuertes y más difíciles de separar.

60

Figura 4.17 Micrografía por SEM. Puentes entre los granos de arena Weserkies

con aglutinante orgánico.

Figura 4.18 Micrografía por SEM. Puentes entre los granos de arena H32 con


61

En la figura 4.19 se logró captar la huella que dejó el desprendimiento de

un puente, en este caso formado por aglutinante orgánico. Si los puentes que

se forman son pequeños o no uniformes será más fácil que se desprendan

ocasionando bajas resistencias y reduciendo significativamente la durabilidad

de los corazones.



62

Aglutinante Inorgánico (NIB)

En la figura 4.20 se puede apreciar que el aglutinante inorgánico que

recubre a los granos de arena se encuentra esparcido de manera homogénea,

esto debido a que este tipo de aglutinante, no es tan viscoso como el orgánico y

a que la arena MTY es de grano redondo lo que permite que el aglutinante se

arrastre más fácil y se ese extienda mejor formando puentes más grandes y con

un alto grado de uniformidad.

Figura 4.20 Micrografía por SEM. Puentes entre los granos de arena MTY con


En las figuras 4.21 y 4.22 se muestran los puentes formados por el

aglutinante inorgánico, en donde se aprecia con claridad la ausencia de

defectos como poros y grietas, además un alto grado de uniformidad y un

acabado terso, esto nos permitirá tener resistencias mecánicas altas en los

corazones ya que los puentes con estas características serán más fuertes y

difíciles de separar.

63

Figura 4.21 Micrografía por SEM. Puentes entre los granos de arena Bo56 con




64

La presencia de grietas y poros hacen que las resistencias disminuyan

considerablemente, y esto puede deberse al proceso de curado, a las

condiciones ambientales, al tiempo que ha pasado desde la fabricación del

corazón y al trato que ha recibido éste después de su fabricación. En la figura

4.23 se muestra la micrografía obtenida de un puente de aglutinante inorgánico

en donde se logró captar la presencia de grietas.

Figura 4.23 Micrografía por SEM. Puente agrietado entre los granos de arena

H32 con aglutinante inorgánico.

65

Aglutinante Híbrido (NHB)

En las figuras 4.24, 4.25 y 4.26 se muestran algunos puentes formados

con el aglutinante híbrido. Los puentes con este tipo de aglutinante no son tan

tersos y uniformes como los que se forman con el inorgánico, pero si son mas

uniformes y por lo tanto, más fuertes que los que se forman con el orgánico,

esto es debido a que el aglutinante híbrido presenta una viscosidad intermedia

entre los otros dos tipos de aglutinante.

Figura 4.24 Micrografía por SEM. Puentes entre los granos de arena Bo56 con


66





67

Capítulo V

Conclusiones y Recomendaciones

5.1 Conclusiones

Utilizando aglutinante inorgánico y 40% de humedad, todas las arenas

presentaron las mejores propiedades mecánicas.

De las arenas, las Haltern presentaron mejores propiedades mecánicas.

Por su tamaño y presentar una morfología de grano muy angular, la arena

Weserkies no presentó buenos resultados bajo ninguna condición en

desarrollo de resistencias.

A 90% de humedad se presentan bajas resistencias mecánicas

ocasionando que los corazones se debiliten, agrieten y en algunos casos

se colapsen.

5.2 Recomendaciones

Realizar una caracterización de los tres tipos de aglutinante con diferentes

técnicas a nivel laboratorio.

Hacer pruebas con las arenas Haltern y los tres tipos de aglutinante a

mayor escala (nivel planta), evaluando el desarenado de las piezas

después del vaciado.

Realizar estudios con diferentes aditivos que ayuden a mejorar las

resistencias mecánicas a altas condiciones de humedad.

68

Referencias

[1].- “Efecto de los aditivos en la conductividad térmica de una mezcla de

arena empleada en la fabricación de moldes y corazones por el proceso de

caja fría”. M.C. Alberto Esquivel Herrera.

[2].- Juan Pablo Velázquez, “Proceso de corazones Nemak”, Nemak S.A.

México, 1997.

[3].- “Desarrollo de un aglutinante inorgánico para la producción de

corazones de arena en la industria automotriz”. M.C. Aldo Alberto Sáenz

Valdez.

[4].- “Arenas alternativas para la fabricación de moldes y corazones en la

fundición de aluminio”. M.C. Emma Lizzet Cedillo Saucedo.

[5].- “Desarrollo de un aglutinante orgánico para la fabricación de moldes y

corazones de arena”. Dr. Alberto Esquivel Herrera.

[6].- Método de laboratorio R&D, Nemak S.A. “Análisis de granulometría de

arena”, clave ME-ID-108.

[7].- “Mold and core test handbook”, 3rd Edition, AFS GFN Pag 1-11

[8].- Método de laboratorio R&D, Nemak S.A. “Obtención de una muestra

por cuarteo”, clave ME-LA-15.

[9].- Método de laboratorio R&D, Nemak S.A. “Análisis de pérdidas por

ignigción (L.O.I.)”, clave ME-ID-111.

[10].- Método de laboratorio R&D, Nemak S.A. “Análisis de pH de la arena”,

clave ME-ID-109.

[11].- “Mold and core test handbook”, 3rd Edition AFS Pag 1-13 Norma 107-

00-S.

69

Apéndice A

AFS y porcentaje de finos

0

10

20

30

40

50

60

70

20 30 40 50 70 100 140 200 270 Fondo

% R

ete

nid

o

Número de malla

Arena Weserkies

Figura A1. Distribución granulométrica de la arena Weserkies.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

20 30 40 50 70 100 140 200 270 Fondo

% R

rete

nid

o

Número de malla

Arena Bo56

Figura A2. Distribución granulométrica de la arena Bo56.

70

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

20 30 40 50 70 100 140 200 270 Fondo

% R

rete

nid

o

Número de malla

Arena H31

Figura A3. Distribución granulométrica de la arena H31.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

20 30 40 50 70 100 140 200 270 Fondo

% R

ete

nid

o

Número de malla

Arena H32


71

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

20 30 40 50 70 100 140 200 270 Fondo

% R

ete

nid

o

Número de malla

Arena H33


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

20 30 40 50 70 100 140 200 270 Fondo

% R

ete

nid

o

Número de malla

Arena MTY

Figura A6. Distribución granulométrica de la arena MTY.

72

Apéndice B

Análisis químico de las arenas

Tabla B1. Análisis químico realizado en los laboratorios Fairchild, S.A.

73

Apéndice C

Análisis de varianza del desarrollo

de resistencias

Análisis de la Resistencia Inmediata. Two-way ANOVA: Resistencia (MPa) versus Arena, Aglutinante Source DF SS MS F P

Arena 5 2.06109 0.412218 53.62 0.000

Aglutinante 2 0.68722 0.343610 44.69 0.000

Interaction 10 0.31629 0.031629 4.11 0.000

Error 90 0.69192 0.007688

Total 107 3.75652

S = 0.08768 R-Sq = 81.58% R-Sq(adj) = 78.10%

Individual 95% CIs For Mean Based on

Pooled StDev

Arena Mean -+---------+---------+---------+--------

Bo56 0.535454 (--*-)

H31 0.662510 (--*--)

H32 0.634624 (-*--)

H33 0.657224 (--*--)

MTY 0.758576 (--*-)

Weserkies 0.322598 (--*-)

-+---------+---------+---------+--------

0.30 0.45 0.60 0.75


Pooled StDev

Aglutinante Mean -----+---------+---------+---------+----

NB 0.487344 (----*---)

NHB 0.677812 (---*---)

NIB 0.620337 (----*---)

-----+---------+---------+---------+----

0.490 0.560 0.630 0.700

Tukey Simultaneous Tests

Response Variable Resistencia (MPa)

All Pairwise Comparisons among Levels of Arena

Arena = Bo56 subtracted from:

Difference SE of Adjusted

Arena of Means Difference T-Value P-Value

H31 0.1271 0.03347 3.796 0.0034

H32 0.0992 0.03347 2.963 0.0429

H33 0.1218 0.03347 3.638 0.0057

MTY 0.2231 0.03347 6.666 0.0000

Weserkies -0.2129 0.03347 -6.360 0.0000

74

Arena = H31 subtracted from:



H32 -0.0279 0.03347 -0.83 0.9606

H33 -0.0053 0.03347 -0.16 1.0000

MTY 0.0961 0.03347 2.87 0.0549

Weserkies -0.3399 0.03347 -10.16 0.0000




H33 0.0226 0.03347 0.675 0.9843

MTY 0.1240 0.03347 3.703 0.0046

Weserkies -0.3120 0.03347 -9.323 0.0000




MTY 0.1014 0.03347 3.028 0.0360

Weserkies -0.3346 0.03347 -9.998 0.0000

Arena = MTY subtracted from:



Weserkies -0.4360 0.03347 -13.03 0.0000



All Pairwise Comparisons among Levels of Aglutinante

Aglutinante = NB subtracted from:


Aglutinante of Means Difference T-Value P-Value

NHB 0.1905 0.02367 8.048 0.0000

NIB 0.1330 0.02367 5.619 0.0000

Aglutinante = NHB subtracted from:



NIB -0.05748 0.02367 -2.429 0.0443

75

Análisis del Desarrollo de resistencia a 1 hr 40% de humedad. Two-way ANOVA: Resistencia (MPa) versus Arena, Aglutinante Source DF SS MS F P

Arena 5 8.5189 1.7038 41.17 0.000

Aglutinante 2 20.0814 10.0407 242.65 0.000

Interaction 10 2.5255 0.2525 6.10 0.000

Error 90 3.7241 0.0414

Total 107 34.8499

S = 0.2034 R-Sq = 89.31% R-Sq(adj) = 87.30%

Individual 95% CIs For Mean Based on Pooled StDev

Arena Mean +---------+---------+---------+---------

Bo56 1.25653 (---*---)

H31 1.53435 (--*---)

H32 1.61812 (---*---)

H33 1.62050 (---*---)

MTY 1.61142 (--*---)

Weserkies 0.85656 (---*---)

+---------+---------+---------+---------

0.75 1.00 1.25 1.50


Pooled StDev

Aglutinante Mean ----+---------+---------+---------+-----

NB 0.86018 (--*-)

NHB 1.47749 (-*-)

NIB 1.91107 (--*-)

----+---------+---------+---------+-----

0.90 1.20 1.50 1.80







H31 0.2778 0.08333 3.334 0.0148

H32 0.3616 0.08333 4.339 0.0005

H33 0.3640 0.08333 4.368 0.0004

MTY 0.3549 0.08333 4.259 0.0007

Weserkies -0.4000 0.08333 -4.800 0.0001




H32 0.0838 0.08333 1.005 0.9152

H33 0.0861 0.08333 1.034 0.9054

MTY 0.0771 0.08333 0.925 0.9392

Weserkies -0.6778 0.08333 -8.134 0.0000

76




H33 0.0024 0.08333 0.028 1.0000

MTY -0.0067 0.08333 -0.080 1.0000

Weserkies -0.7616 0.08333 -9.139 0.0000




MTY -0.0091 0.08333 -0.109 1.0000

Weserkies -0.7639 0.08333 -9.168 0.0000




Weserkies -0.7549 0.08333 -9.059 0.0000







NHB 0.6173 0.05892 10.48 0.0000

NIB 1.0509 0.05892 17.83 0.0000




NIB 0.4336 0.05892 7.358 0.0000

77

Análisis del Desarrollo de resistencia a 24 hr 40% de humedad. Results for: DR 24 hr 40%

Two-way ANOVA: Resistencia (MPa) versus Arena, Aglutinante Source DF SS MS F P

Arena 5 11.5933 2.31865 52.84 0.000

Aglutinante 2 19.3701 9.68504 220.73 0.000

Interaction 10 1.8991 0.18991 4.33 0.000

Error 90 3.9489 0.04388

Total 107 36.8113

S = 0.2095 R-Sq = 89.27% R-Sq(adj) = 87.25%


Pooled StDev

Arena Mean --------+---------+---------+---------+-

Bo56 1.19210 (---*--)

H31 1.55584 (--*--)

H32 1.72813 (---*--)

H33 1.58384 (--*--)

MTY 1.50061 (--*--)

Weserkies 0.74701 (--*--)

--------+---------+---------+---------+-

0.90 1.20 1.50 1.80

Individual 95% CIs For Mean Based on Pooled StDev

Aglutinante Mean +---------+---------+---------+---------

NB 0.96502 (-*-)

NHB 1.22424 (--*-)

NIB 1.96451 (-*--)

+---------+---------+---------+---------

0.90 1.20 1.50 1.80







H31 0.3637 0.08061 4.512 0.0003

H32 0.5360 0.08061 6.650 0.0000

H33 0.3917 0.08061 4.860 0.0001

MTY 0.3085 0.08061 3.827 0.0030

Weserkies -0.4451 0.08061 -5.522 0.0000




H32 0.1723 0.08061 2.14 0.2769

H33 0.0280 0.08061 0.35 0.9993

MTY -0.0552 0.08061 -0.69 0.9832

Weserkies -0.8088 0.08061 -10.03 0.0000

78




H33 -0.1443 0.08061 -1.79 0.4768

MTY -0.2275 0.08061 -2.82 0.0621

Weserkies -0.9811 0.08061 -12.17 0.0000




MTY -0.0832 0.08061 -1.03 0.9059

Weserkies -0.8368 0.08061 -10.38 0.0000




Weserkies -0.7536 0.08061 -9.349 0.0000







NHB 0.2592 0.05700 4.548 0.0001

NIB 0.9995 0.05700 17.535 0.0000




NIB 0.7403 0.05700 12.99 0.0000

79

Análisis del Desarrollo de resistencia a 1 hr 90% de humedad. Results for: DR 1hr 90%


Arena 5 8.9545 1.7909 45.76 0.000

Aglutinante 2 32.2211 16.1106 411.65 0.000

Interaction 10 2.7742 0.2774 7.09 0.000

Error 90 3.5223 0.0391

Total 107 47.4721

S = 0.1978 R-Sq = 92.58% R-Sq(adj) = 91.18%


Pooled StDev

Arena Mean ----+---------+---------+---------+-----

Bo56 0.71855 (---*--)

H31 1.07516 (---*---)

H32 1.25006 (---*---)

H33 1.01912 (---*--)

MTY 1.30372 (---*---)

Weserkies 0.48918 (---*--)

----+---------+---------+---------+-----

0.50 0.75 1.00 1.25


Pooled StDev

Aglutinante Mean -------+---------+---------+---------+--

NB 0.53239 (-*-)

NHB 0.65008 (-*)

NIB 1.74543 (-*-)

-------+---------+---------+---------+--

0.70 1.05 1.40 1.75







H31 0.3566 0.08364 4.264 0.0006

H32 0.5315 0.08364 6.355 0.0000

H33 0.3006 0.08364 3.594 0.0066

MTY 0.5852 0.08364 6.996 0.0000

Weserkies -0.2294 0.08364 -2.742 0.0760




H32 0.1749 0.08364 2.091 0.3004

H33 -0.0560 0.08364 -0.670 0.9848

MTY 0.2286 0.08364 2.733 0.0778

Weserkies -0.5860 0.08364 -7.006 0.0000

80




H33 -0.2309 0.08364 -2.761 0.0725

MTY 0.0537 0.08364 0.642 0.9875

Weserkies -0.7609 0.08364 -9.097 0.0000




MTY 0.2846 0.08364 3.403 0.0120

Weserkies -0.5299 0.08364 -6.336 0.0000




Weserkies -0.8145 0.08364 -9.738 0.0000







NHB 0.1177 0.05914 1.990 0.1200

NIB 1.2130 0.05914 20.510 0.0000




NIB 1.095 0.05914 18.52 0.0000

81

Análisis del Desarrollo de resistencia a 24 hr 90% de humedad. Results for: DR 24hr 90%


Arena 5 0.59708 0.11942 28.83 0.000

Aglutinante 2 2.56717 1.28359 309.86 0.000

Interaction 10 0.20664 0.02066 4.99 0.000

Error 90 0.37282 0.00414

Total 107 3.74371

S = 0.06436 R-Sq = 90.04% R-Sq(adj) = 88.16%


Pooled StDev

Arena Mean --+---------+---------+---------+-------

Bo56 0.211056 (--*---)

H31 0.217453 (---*---)

H32 0.233541 (---*---)

H33 0.273492 (---*---)

MTY 0.336081 (---*---)

Weserkies 0.090168 (--*---)

--+---------+---------+---------+-------

0.080 0.160 0.240 0.320


Pooled StDev

Aglutinante Mean -+---------+---------+---------+--------

NB 0.444597 (-*--)

NHB 0.106639 (-*-)

NIB 0.129660 (-*-)

-+---------+---------+---------+--------

0.10 0.20 0.30 0.40







H31 0.0064 0.02537 0.252 0.9999

H32 0.0225 0.02537 0.886 0.9490

H33 0.0624 0.02537 2.461 0.1461

MTY 0.1250 0.02537 4.927 0.0001

Weserkies -0.1209 0.02537 -4.764 0.0001




H32 0.0161 0.02537 0.634 0.9882

H33 0.0560 0.02537 2.209 0.2431

MTY 0.1186 0.02537 4.675 0.0001

Weserkies -0.1273 0.02537 -5.016 0.0000

82




H33 0.0400 0.02537 1.575 0.6171

MTY 0.1025 0.02537 4.041 0.0014

Weserkies -0.1434 0.02537 -5.650 0.0000




MTY 0.0626 0.02537 2.467 0.1442

Weserkies -0.1833 0.02537 -7.225 0.0000




Weserkies -0.2459 0.02537 -9.692 0.0000







NHB -0.3380 0.01794 -18.84 0.0000

NIB -0.3149 0.01794 -17.55 0.0000




NIB 0.02302 0.01794 1.283 0.4080

83

LISTA DE FIGURAS

CAPITULO II Pág.

Figura 2.1 Tipos de arena 5

Figura 2.2 Morfología de los granos de arena 6

Figura 2.3 Corazones de arena 8

Figura 2.4 Reacción del proceso fenólico/uretánico 14

Figura 2.5 Corazón de caja caliente 16

Figura 2.6 Puentes de resina orgánica base agua entre granos

de arena 18

Figura 2.7 Producción de piezas de aluminio y formación de

emisiones usando corazones orgánicos (izquierda) y

corazones inorgánicos (derecha) 20

Figura 2.8 Proceso de deshidratación del aglutinante base silicato 24

Figura 2.9 Efecto de la humedad sobre los corazones inorgánicos 25

Figura 2.10 Correcta extracción del agua (izquierda), incorrecta

extracción del agua (derecha) 26

CAPITULO III Pág.

Figura 3.1 Agitador de mallas Simpson, utilizado para realizar el

análisis granulométrico 29

Figura 3.2 Mufla para realizar pruebas de perdidas por ignición 30

Figura 3.3 Medidor de pH 31

Figura 3.4 Estereoscopio Olympus SZH10 32

Figura 3.5 Diagrama de Krumbein 33

Figura 3.6 a) Partícula con valor de 0.1 de redondez, b) partícula

con valor de 0.9 de redondez 33

Figura 3.7 Mezclador de arena – aglutinante Hobart 36

Figura 3.8 Sopladora Redford de caja caliente 37

84

Figura 3.9 Probetas de tensión 39

Figura 3.10 Cámara Húmeda 40

Figura 3.11 Tensómetro digital para probetas Simpson Gerosa 40

Figura 3.12 Microscopio electrónico de barrido 41

CAPITULO IV Pág.

Figura 4.1 Valores de pH de las arenas 45

Figura 4.2 Micrografía de la arena Weserkies a 20x 46

Figura 4.3 Micrografía de la arena Bo56 a 40x 47

Figura 4.4 Micrografía de la arena H31 a 40x 47



Figura 4.7 Micrografía de la arena MTY a 40x 49

Figura 4.8 Desarrollo de resistencia de las diferentes arenas

mezcladas con aglutinante orgánico 50


mezcladas con aglutinante inorgánico 51


mezcladas con aglutinante híbrido 52

Figura 4.11 Resistencias inmediatas obtenidas de cada una de las

arenas con los 3 tipos de aglutinantes 53

Figura 4.12 Desarrollo de resistencia a 1 hora de cada una de las


Figura 4.13 Desarrollo de resistencia a 24 horas de cada una de las



mezcladas con aglutinante orgánico 56


mezcladas con aglutinante inorgánico 57

85


mezcladas con aglutinante híbrido 58

Figura 4.17 Micrografía por SEM. Puentes entre los granos de arena

Weserkies con aglutinante orgánico 60


H32 con aglutinante orgánico 60


H31 con aglutinante orgánico 61


MTY con aglutinante inorgánico 62


Bo56 con aglutinante inorgánico 63


H31 con aglutinante inorgánico 63

Figura 4.23 Micrografía por SEM. Puente agrietado entre los granos

de arena H32 con aglutinante inorgánico 64


Bo56 con aglutinante híbrido 65


H32 con aglutinante híbrido 66


H33 con aglutinante híbrido 66

APENDICES Pág.

Figura A1. Distribución granulométrica de la arena Weserkies 69

Figura A2. Distribución granulométrica de la arena Bo56 69

Figura A3. Distribución granulométrica de la arena H31 70



Figura A6. Distribución granulométrica de la arena MTY 71

86

LISTA DE TABLAS

CAPITULO II Pág.

Tabla 2.1 Sistemas de aglutinación, clasificado con su mecanismo

de curado. 12

CAPITULO III Pág.

Tabla 3.1 Diseño de experimentos para el desarrollo de resistencia 35

CAPITULO IV Pág.

Tabla 4.1 Valores de AFS y porcentaje de finos de las arenas 43

Tabla 4.2 Valores de L.O.I. de las arenas 44

APENDICES Pág.

Tabla B1. Análisis químico realizado en los laboratorios Fairchild, S.A. 72

universidad autÓnoma de nuevo leÓn facultad de …eprints.uanl.mx/2328/1/1080223905.pdf · 4.3.1...

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