La Ignición (Estabilización del Molde)

Una vez ocurrida la acción quúnica de la gelación de la masa refractaria, el molde duro, parecido al caucho o goma elástica, se remueve del patrón y de la caja de moldeo.

Cuando se ha removido la masa refractaria del patrón, deberá pasar a través de diversas etapas que impartirán gran influencia en la calidad del molde cerámico. A continuación se lleva a cabo la operación de ignición hasta que virtualmente se consumen todas las substancias volátiles contenidas en él.

Durante la operación de ignición, conocida también como la operación de estabilización del molde, se crea una red tridimensional microscópica de grietas en el molde llamada estructura microgrietada, inducida por la rápida evaporación del alcohol en la suspensión, las partículas volátiles y las reacciones de fase sólida. Es el parámetro responsable en gran escala, para la precisión dimensional , la estabilización y el acabado fmal del proceso. El efecto del micorgrietado en el material del moldeo Shaw, se produce solamente cuando la operación de la ignición se lleva a cabo inmediatamente después del desmoldeo de la masa refractaria del patrón, en su estado verde.

Las microgrietas resultan de la separación de cada partícula cerámica vecina por minutas fisuras o pequeños vacíos de aire. Los pequeños vacíos son suficientemente pequeños para evitar la penetración del metal líquido al molde, sin embargo son lo suficientemente grandes para permitir el paso del aire u otros gases, o bien, acomodar la expansión de las partículas cerámicas cuando éstas llegan a estar en contacto con el metal líquido. La Figura 2.4 muestra de forma esquemática, el principio de la formación de las microgrietas. Las dimensiones del molde cerámico Shaw son "congeladas"; el molde es inmune al choque térmico, es posible curar el molde a altas temperaturas (a 980 °C) y la estabilidad dimensional del molde permanece constante si éste se encuentra frío, caliente, lleno o vacío de metal.

Si se llegara a secar el molde a temperatura ambiente, por un período substancial de tiempo, no se desarrollaría la estructura microgrietada. Es interesante notar que las durezas desarrolladas por la operación final del proceso Shaw (el quemado) es considerablemente mayor en el material secado por aire, que en aquel secado por ignición. Pero a expensas de propiedades como la permeabilidad, resistencia al choque térmico y descomposición del molde cerámico Shaw. Ver Tabla 2.6.

Figura 2.4 El principio de la formación de microgrietas del Proceso Shaw: (a) cubo de material húmedo, tipo arcilla, (b) se contrae cuando el líquido se pierde lentamente, (e) se agrieta cuando se pierde el líquido con mayor rapidez, (d) muestra fracturas microscópicas debido a una mayor rapidez de perdida del líquido.

Las grietas gruesas, podrán ser un problema en esquinas internas en la cavidad de un molde, particularmente si se permitiera el origen de burbujas de alcohol. Se deberá poner especial énfasis en el diseño del patrón; evitar esquinas o ángulos rectos y proveer un radio mínimo de tres milímetros. El alcohol contenido en el molde es consumido por ignición en una hornilla, o bien, la operación es improvisada a través del uso de una antorcha de gas/aire. Cualquiera que fuera el caso, se deberán colocar los moldes en alguna parrilla o malla procurando un libre acceso del aire durante la ignición.

Una variante del proceso en la práctica, se lleva a cabo en el proceso Unicast. En este, se sumerge el molde en un baño estabilizador, antes de la operación de la ignición por un período de 1 hora y en una solución de alcohol etílico. Realizando ésta operación, se impartirá gran estabilización dimensional y dureza al molde, o masa refractaria.

Tabla 2.6 Esfuerzos a tensión de mezclas de mullita ligadas por silester AR. [ 17]

Esfuerzo a Tensión AFS

flh /in²⁾ Antes del Quemado

11 Quemado (a11 000°C Agregado ce. de secado aire ignición secado aire ignición refractario y aglutinante

tamaño de por kg. de partícula refractario

t. 100%-300, 456 -- ^2.0 -- 5.6

malla mullita 422 -- 2.7 -- ^6.0

400 5.3 2.7 21.0 5.3

356 -- ^3.0 -- ^7.3

333 9.3 3.2 37.0 8.3

311 -- 3.4 -- 11.0

267 12.0 4.0 58.5 15.8

2. 30%-16/30, 267 -- 9.0 -- 16.7

30%-30/60, 222 -- 10.7 -- 22.7

40%-300, 178 -- 11.8 -- ^28.3

malla mullita

2.

7

El Quemado

y

Vaciado.

Después de haber culminado la operación de la ignición por antorcha gas/aire, se lleva a cabo la fase del quemado con el objetivo de:

• Quemar todas aquellos residuos de materiales orgánicos y remover toda la humedad en orden a producir un molde inerte.

• Mejorar la dureza del molde a través de un proceso de sinterización.

Un rango considerable de temperaturas de quemado varía desde los 300 a los 1 ,300°C. Mientras el primer objetivo será alcanzado por el encendido a 500°C, cualquier incremento en la dureza podrá ser obtenido a temperaturas de sinterización de 1,000°C.

Se recomiendan ligeras condiciones oxidantes al encender los moldes para estimular el quemado de los volátiles residuales.

Los residuos de silica coloidal, producto de la hidrolización de la solución ligante (silicato etílico hidrolizado) forman una capa de Si02 de alta temperatura, misma que es estable cerca de su punto de fusión ( 171 O °C, o 311 O °F), además provee suficiente dureza al molde para resistir el derrumbe, o erosión, provocada por el flujo del metal líquido.

Para lograr esta operación de forma exitosa, se recomienda que el quemado no sea llevado a cabo a temperaturas inferiores a los 480 °C, pero que no superen los 1 ,000°C.

Comúnmente se realizan dos métodos de quemado de los moldes cerámicos. En un método, el calentamiento de la superficie, el molde es directamente calentado por encima, con la asistencia de calentadores eléctricos o de flama (gas). Esta técnica es rápida, y permite el curado del molde en cajas metálicas de moldeo convencionales.

El segundo método de quemado para los moldes cerámicos consta en el calentamiento de los mismos en un horno eléctrico o de gas. El método de quemado a través de un horno presenta la ventaja de remover todos los residuos de humedad y las partículas volátiles del material cerámico. Mientras el quemado del molde a través de calentadores representa una operación rápida, el quemado a través del horno provee una segura remoción de la humedad y los volátiles. El método será selecto por las capacidades y condiciones de la fundición. El período normal de quemado del molde es de 4 a 6 horas, a temperaturas anteriormente mencionadas.

En caso de los moldes cerámicos mixtos, se sabe que al quemarlos a temperaturas superiores a los 650 °C, éstos pudieran presentar expansión diferencial entre la capas cerámicas y la de respaldo debido a la contracción del enlace de silica rico en oxido de sodio, del material de respaldo. Este fenómeno podría causar distorsiones en la cavidad del molde, sin embargo algunas fundiciones hornean sus moldes cerámicos mixtos a temperaturas altas (815 a 980

oq

sin presentar efectos indeseados. Para el caso del quemado de moldes cerámicos mixtos, se recomienda el método de quemado de calentamiento superficial, asistido por calentadores eléctricos o de flama (gas), ya que presenta la ventaja de curar la capa cerámica sin sobrecalentar el material de respaldo. El método de quemado a través de un horno presenta la ventaja de remover todos los residuos de humedad y las partículas volátiles del material cerámico y del respaldo, minimizando el riesgo de flujo de humedad proveniente del material de respaldo hacia el

material cerámico, después del ensamble del molde. Dichos reflujos pueden producir defectos de superficie en las piezas vaciadas.

Finalmente, las piezas del molde como la bóveda y el marco son ensambladas junto con los corazones necesarios, y se vacía el metal directamente del horno o de un cucharón. La operación de vaciado se debe efectuar velozmente para evitar el choque en frío y la emisión de gases en la colada. Se podrá vaciar el metal a una temperatura ligeramente sobre la temperatura "liquidus" para la producción de granos fmos, tenaces y así lograr una buena integridad de la pieza vaciada, sin inclusiones gaseosas, porosidad, grietas y cavidades internas. El rango de temperaturas del molde podrá variar desde 40 a 540°C, dependiendo de la forma de la pieza y la aleación a vaciar.

Una vez que se ha solidificado la pieza fundida, se remueve del molde cerámico y ésta es inspeccionada. Al acabado final de la pieza vaciada a través del moldeo cerámico Shaw, es influenciada por diversos factores que incluyen el grado refractario usado, temperatura del metal y molde, y reacciones metaVmolde. Entre más fmo sea el grado utilizado por los agregados refractarios, obtendremos mejores acabados superficiales.

Moldes precalentados y altas temperaturas de vaciado reducirán la calidad del acabado superficial. Para finalizar presentaremos un esquema general e ilustrado del proceso Shaw (Fig. 2.5).

l. Polvos Refractarios 2. Aglutinante. 3. Gelación 4. Susoensión - Patrón

5. Desmoldeo 6. Ignición 7. Horneado 8. Vaciado

Figura 2.5 Esquema del proceso Shaw del moldeo cerámico. [ 16]

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