ESTUDIO DE ALGUNAS PROPIEDADES DE LOS MOLDES DE ESCAYOLA
PARA EL COLAJE DE MATERIALES NO ARCILLOSOS (1)
A. CARVAJAL R. MORENO
Instituto de Cerámica y Vidrio, C.S.I.C. Arganda del Rey (Madrid).
RESUMEN
En el presente trabajo se lleva a cabo un estudio de las propiedades físicas de moldes de escayola preparados con distintas proporciones agua/escayola en el rango comprendido entre 60/100 y 100/100. Se estudian propiedades tales como el fraguado, expansión, densidad y porosidad, velocidad de absorción de agua y resistencia, tanto a la flexión como a la comprensión. Asimismo se estudia el colaje de alúmina sobre dichos moldes, observándose una relación agua/escayola específica a la cual el espesor de pared de la pieza colada es máximo.
Study of some properties of plaster moulds for slip casting of nonclay material
In the present work a study of the plysical properties of plaster moulds with different water to plaster ratio in the range between 60/100 to 100/100 is made. Properties such as setting time, expansion, density and porosity, water absorption rate and bending and compressive strength are studied. Also slip casting of alumina on these moulds is studied and it can be observed that there is a specific consistency for which the wall thickness of the cast body is higher.
Etude de certaines propriétés des moules en plâtre pour le coulage de matériaux non argileux
Dans le présent travail, il est fait une étude des propriétés physiques de moules en plâtre préparés avec différentes proportions eau/plâtre variant entre 60/100 et 100/100. Les propriétés anlysées sont la prise, l'expansion, la densité et la porosité, la vitesse d'absorption de Peau et la résistance tant a la flexion qu'a la compression. On étudie également la coulée d'alumine sur ces moules et on observe un rapport spécifique eau/platre pour lequel l'épaisseur de la paroi de la pie'ce coulée est maximale.
Untersuchung der Eigenshaften von Feingipsformen zum Gießen nichttoniger Werkstoffe
In der Arbeit erfolgt eine Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von Feingipsformen, bei denen das Wasser/Gips-Verhältnis zwischen 60:100 und 100:100 schwankt. Gegenstand der Untersu-chung sind vornehmlich der Abbindevorgang, die Dehnung, Dichte und Porigkeit, die Wasseraufnahme-geschwindigkeit sowie die Biege- und Druckfestigkeit. Untersucht wird ferner das Gießen von Tonerden in Formen der beschriebenen Art, wobei ein spezifisches Wasser/Gips-Verhältnis gefunden wurde, bei dem die Wandstärke der Gußstücke maximal ist.
1. INTRODUCCIÓN
La producción y uso de moldes de escayola en la industria cerámica es sencilla, económica y flexible en comparación con otros procesos complejos y costosos requeridos en muchas industrias. El uso de la escayola para la elaboración de moldes requiere una mínima inversión en utillaje y es muy útil en la fabricación de series cortas de piezas de forma compleja. La fabricación y estructura de la escayola ha sido descrita con profundi-dad en la bibliografía así como la producción y uso de moldes de dicho material (1-5). Las propiedades del molde determinan en buena medida el proceso de colaje y, por tanto, las propiedades del material obtenido. Diversos autores han utilizado la teoría de filtración para interpretar la cinética del colaje en moldes de escayola (6-9) de tal manera que la velocidad del proceso de colaje está gobernada por la permeabilidad de la capa consoli-dada adyacente al molde (10).
(I) Original recibido el 28 de agosto de 1987. ENERO-FEBRERO, 1988
El objeto del presente trabajo es el estudio de algunas propiedades físicas de los moldes de escayola tales como expansión, porosidad, capacidad de absorción de agua, resistencia, etc para diversas relaciones agua/escayola con el fin de obtener moldes con las características más adecuadas para el colaje de óxidos cerámicos. Se ha con-siderado asimismo el colaje de suspensiones de alúmina sobre dichos moldes y el efecto de la consistencia del molde sobre la velocidad de colaje.
2. LA ESCAYOLA
Existen tres formas principales del sistema sulfato cálcico-agua, que son: CaS04.2H20, CaS04.1/2H20 y CaS04. La roca llamada piedra de yeso o algez es muy abundante en la naturaleza y está compuesta por sulfato calcico dihidratado. El yeso se obtiene por deshidración parcial de aquella, que a temperaturas inferiores a 170° C pierde agua para dar lugar al sulfato calcico hemihidra-tado. A temperaturas superiores a 170° C se pierde todo el agua de cristalización, obteniéndose la anhidrita. En función del contenido de la forma hemihidratada, los 11
yesos se suelen clasificar en tres categorías, a saber: yeso negro (con un contenido en hemihidrato superior al 50% en peso), yeso blanco (con un contenido en hemihidrato superior al 66% en peso) y escayola (con un contenido en hemihidrato superior al 80% en peso).
Al amasar yeso con agua en la proporción adecuada se obtiene una pasta que endurece rápidamente. Este endurecimiento recibe el nombre de fraguado y esencial-mente consiste en lo siguiente: al amasar yeso cocido con agua se forma, alrededor de sus partículas, una solución saturada respecto al hemihidrato y fuertemente sobresa-turada respecto al dihidrato, formado por hidratación de aquél, estable y de menor solubilidad. Así comienza la cristalización del yeso, bien espontáneamente o a partir de núcleos de dihidrato que han permanecido sin modifi-car durante el proceso de cocción. Se disuelven entonces nuevas cantidades de hemihidrato continuando este pro-ceso hasta su hidratación y cristalización total en forma de dihidrato.
La reacción que tiene lugar en el fraguado es la siguiente: "' 2 CaS04.1/2H20 + 3 H2O 2 CaS04.2H20
Al mismo tiempo que se genera calor, se produce una expansión como consecuencia del rápido crecimiento de los cristales durante el fraguado. Esta expansión hace que el yeso, y particularmente el tipo escayola, sea un material muy adecuado tanto para el moldeo de piezas irregulares como para la elaboración de moldes. 3. PARTE EXPERIMENTAL
El estudio de las propiedades de los moldes de esca-yola se ha realizado utilizando una escaesca-yola comercial suministrada por Hebor S.A., tipo Alamo-70. Con el fin de ver su pureza, se llevó a cabo un análisis térmico de la misma; el análisis termogravimétrico revelaba una pér-dida de agua de 6,4%, lo que supone un alto contenido de hemihidrato. El análisis térmico diferencial mostraba un pico endotérmico (~ 200° C) correspondiente a la trans-formación del sulfato calcico hemihidrato a anhidrita soluble y un pico exotérmico a (^ 370 ° C) correspon-diente al paso de la anhidrita soluble a insoluble (fig. 1).
5 p V
100 3 0 0 500 700
TEMPERATURA °C
9 0 0
Cuando el hemihidrato se mezcla con agua aparece otro pico endotérmico ('^ 180° C) que corresponde a la pér-dida de 3/2 moléculas de agua en la transformación del dihidrato a hemihidrato.
En el presente trabajo se estudian las propiedades de moldes de escayola con diferentes proporciones agua/es-cayola con el fin de determinar la relación más adecuada para el colaje de suspensiones de óxidos cerámicos.
Para ellos se han preparado moldes y probetas de escayola utilizando las siguientes proporciones agua/es-cayola: 60/100, 70/100, 80/100 y 100/100. Dichos mol-des y probetas de escayola se han preparado añadiendo el polvo de escayola sobre agua deionizada evitando la formación de aglomerados con agitación manual sin vacío.
Partiendo de estas composiciones se han efectuado los siguientes ensayos:
1. Determinación del tiempo de fraguado, el cual se ha medido por el método de la sonda de Vicat (11). Las penetraciones se han realizado a intervalos de un minuto y de 15 segundos cuando el fraguado está próximo.
2. Expansión lineal: se ha determinado haciendo uso de un dilatómetro de lectura directa. Este apartado consta de un recipiente de dimensiones 330 X 40 X 35 mm sobre el que se vierte la mezcla agua/escayola cuya expansión quiere medirse. Las lecturas se han realizado a intervalos sucesivos de 15 segundos (12).
3. Medida de la porosidad. Para determinar la porosidad se han preparado probetas cúbicas de 40 mm de lado de cada una de las relaciones agua/escayola con-sideradas; con ellas se ha calculado la densidad a partir de medidas directas de peso y volumen y refiriéndola a la densidad teórica del sulfato calcico dihidratado se obtiene un índice de la porosidad.
4. Capacidad de absorción de agua. Se han prepa-rado probetas cúbicas de 40 mm de lado de las diferentes relaciones agua/escayola y se han secado a 38° C hasta peso constante. Dichas probetas se han sumergido en agua destilada hasta saturación. La capacidad de absor-ción de agua se ha calculado por diferencia de peso entre la probeta seca y la saturada de agua según la expresión:
CA = Ph Pir X 100
Fig. 1.—Curvas de A TD de la escayola: a) sin tratar y b) mezclada con agua.
5. Medida de la velocidad de absorción de agua. Se han preparado probetas prismáticas de escayola (10 X 10 X 115 mm) de las cuatro composiciones estudiadas, graduadas en milímetros. Dichas probetas se han colo-cado verticalmente en contacto con un recipiente con agua destilada y se ha observado el avance de un frente nítido de agua que asciende por capilaridad.
6. Determinación de las propiedades mecánicas. Se ha estudiado la resistencia a la comprensión sometiendo a las probetas de las distintas composicones a una carga uniforme de 300 Kp/cm^ por medio de una prensa axial. Asimismo se ha estudiado la resistencia a la flexión sobre probetas de 40 X 40 X 160 mm por el método de flexión en tres puntos utilizando una máquina de ensayos INS-TRON, mod. 1114.
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la figura 2 se presenta el tiempo de fraguado de mezclas de agua/escayola en proporciones comprendidas
c O " ü CO V -0) c <D Û . 40 60 8 0 70 100 30 / 20
/ Il
10-/ n í
-1 -1/-1
15 25 35 Tiempo de fraguado, minFig. 2.—Tiempo de fraguado de la escayola para diversas proporciones agua I escayola.
entre 60/100 y 100/100, calculados según el método de la sonda de Vicat. En dicha figura se observa que el tiempo de fraguado es mayor cuanto mayor es la proporción de agua en la mezcla.
La expansión lineal de las correspondientes mezclas en el fraguado debe ser mayor a medida que disminuye la proporción de agua en la mezcla. Sin embargo, la mezcla con 60 partes de agua en 100 de escayola presenta un comportamiento anómalo, con una expansión inferior a las de la mezcla de 70/100 y 80/100 (fig. 3). Esta anoma-lía se debe al insuficiente contenido en agua de la mezcla de 60/100. Teóricamente basta con un 19% de agua para que la reacción de transformación de hemihidrato en dihidrato sea completa. Pero en la práctica esto no es posible por las dificultades fraguado de la escayola que llega a estar en contacto con el agua (11). De la figura 3 se puede deducir que existe una proporción agua/escayola (70/100) en la que la expansión es máxima, de forma que
para contenidos de agua más altos la expansión es menor. Asimismo, para contenidos en agua inferiores también disminuiye la expansión, debido posiblemente a que la reacción no es completa.
En la figura 4 se representa la variación de porosidad de los moldes preparados en función de su consistencia. La porosidad aumenta con la proporción de agua, lo que confirma los resultados de otros autores (10, 13, 14). Este aumento de porosidad se justifica atendiendo al hecho de que cuanto mayor es la cantidad de líquido utilizada, mayor ha de ser el líquido excedente a evaporar en la etapa de secado, dejando poros de mayor volumen.
Asimismo se ha observado la variación de absorción de diferentes probetas con el tiempo (fig. 5). El aumento de velocidad de absorción de agua con el incremento de porosidad del molde se ha explicado por la disminución de resistencia a su movimiento ofrecida por los capilares, cuyo diámetro aumenta con la relación agua/esca-yola (14).
Otro factor importante en el estudio de las propieda-des de los molpropieda-des de escayola es el que se refiere a su resistencia mecánica, de la cual dependerán la durabili-dad y posibilidurabili-dades de manipulación de dichos moldes, en el proceso global de colaje.
En la figura 6 se muestra la resistencia mecánica a la comprensión de probetas de escayola preparadas con las proporciones agua/escayola consideradas. Se observa una disminución progresiva de la resistencia mecánica a medida que aumenta la proporción de líquido en la mez-cla. De igual manera, se observa una disminución de la resistencia a la flexión cuanto mayor es el contenido de líquido (fig. 7). El agua en exceso añadida en el amasado permanece en la pasta hasta que las condiciones son pro-picias para la evaporación; al secarse la pasta fraguada quedará una masa más o menos porosa según que el exceso de agua de amasado sea mayor o menor. Por tanto, cuanto más elevada es la porosidad, peores son las propiedades mecánicas del molde.
De esta forma, quedan reseñadas las propiedades del sistema agua/escayola. Sin embargo, la situación
2 0 3 0 40 50
T ie mpo, ( mi n ^
Fig. 3.—Expansión lineal de la escayola según la relación agua I escayola.
«oq. 100 I è^ £ c •o £ 8 0 Ü -o 40jg c -o (0 e 6 0 0 o "O (0 13 T3 CO CO " 0 0 , 4 0 O "O 20 â CO 0) o > 20 6 0 7 0 8 0 100
Relación en peso H^/Escayola, x100
Fig. 4.—Variación de porosidad y capacidad de absorción de agua de los moldes de escayola.
30 40 50 6 0 Tiempo, min
Fig. 5.—Variación de la absorción de agua con el tiempo.
durante el colaje es distinta ya que entra en juego un nuevo componente: la suspensión a colar. Un parámetro de gran importancia en el sistema agua/escayola/suspen-sión es la velocidad de filtración de la suspenagua/escayola/suspen-sión en el molde, la cual es función tanto de las propiedades del molde como de las características de la suspensión. Así, se ha procedido a la determinación de la velocidad de formación de pared de suspensiones de AI2O3 (prepara-das según ref. 15) en moldes preparados según las rela-ciones agua/escayola estudiadas previamente.
En la figura 8 se muestra la variación del espesor de pared de piezas de alúmina en función de la consistencia del molde para distintos tiempos de colaje. En dicha figura se observa un pequeño máximo para consistencias de 70 partes de agua en 100 partes de escayola. Parece, pues, que existe una relación agua/escayola óptima para el colaje, para la cual la velocidad de formación de pared es máxima. El uso de moldes más densos tiene el incon-veniente de que son más pesados y más costosos; este
efecto puede compensarse por el hecho de que aumenta la resistencia, lo que permite fabricar moldes más estre-chos. El control de la densidad del molde es deseable como se desprende de todo lo anterior, ya que pueden obtenerse unas condiciones experimentales óptimas para el colaje, especialmente en sistemas de colada continua, en los que se requiere un riguroso control del tiempo de colaje.
5. CONCLUSIONES
El estudio del sistema agua/molde de escayola revela que en el rango de composiciones 60/100 a 100/100, la porosidad y la capacidad de absorción de agua aumentan con la cantidad de agua; a media que aumenta la porosi-dad decrecen las propieporosi-dades mecánicas. La expansión lineal crece hasta una proporción 70/100 y disminuye para cantidades mayores.
60 70 80 100 Relación en peso H20/Escayola, x 1 0 0
Fig. 6.—Resistencia a la compresión de probetas de escayola.
(D 3 0
ce
6 0 7 0 8 0 1 0 0 R e l a c i ó n en peso H 2 0 / E s c a y o l a , x 1 0 0
Fig. 7.—Resistencia a la flexión de probetas de escayola. BOL.SOC.ESP.CERAM.VIDR.VOL. 27 - NUM. 1
60 70 8 0 100
Relación en peso H^/escayola, x 100
Fig. 8.—Variación del espesor de pared de piezas de alúmina en función de la relación agua I escayola del molde para distintos tiempos de colaje.
Durante el colaje cambia la situación, de forma que el sistema considerado agua/molde/alúmina presenta una mayor velocidad de colaje para relaciones agua/escayola de 70/100. El control de la consistencia del molde es deseable en sistemas en los que se precisa un riguroso control de la velocidad de colaje y de la uniformidad de las piezas.
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