ES2342734T3

ES2342734T3 - Material de moldeo, mezcla de materiales de moldeo para funderia y procedimiento para la fabricacion de un molde o de una pieza moldeada en bruto.

Info

Publication number: ES2342734T3
Application number: ES07014157T
Authority: ES
Inventors: Ralf-Joachim Gerlach
Original assignee: Minelco GmbH
Current assignee: LKAB Minerals GmbH
Priority date: 2006-08-02
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2010-07-13
Anticipated expiration: 2027-07-19
Also published as: DE502007003061D1; ATE460244T1; EP1884300B1; KR20080012162A; KR100887410B1; EP1884300A1; JP4584962B2; BRPI0703299A; DE102006036381A1; US20080029240A1; US7712516B2; MX2007009263A; JP2008036712A; PL1884300T3; SI1884300T1

Abstract

Material de moldeo o pieza moldeada en bruto para fines de fundición, consistente en 1-10% de aglutinante a base de silicato de metal alcalino, un árido de 1-10% en peso de dióxido de silicio amorfo, esférico y disuelto, resto arena silícea con una granulometría de 0,01-5 mm, en donde el dióxido de silicio amorfo está presente en forma esférica, en donde la proporción de partículas con 45 o más micrómetros de diámetro es de a lo sumo 1,5% en peso, y sobre la superficie del dióxido de silicio amorfo está configurada una fase de expansión que presente un espesor de 0,5-1%, referido al diámetro medio de los granos.

Description

Material de moldeo, mezcla de materiales de moldeo para fundería y procedimiento para la fabricación de un molde o de una pieza moldeada en bruto.

La invención se refiere a un material de moldeo o pieza moldeada en bruto para fines de fundición, consistente en 1-10% de aglutinante a base de silicato de metal alcalino, un árido de 1-10% en peso de dióxido de silicio amorfo, disuelto, resto arena silícea con una granulometría de 0,01-5 mm, así como a un procedimiento para la fabricación de material de moldeo o piezas moldeadas en bruto.

Por el documento DE 10 2004 042 535 se conoce una mezcla de materiales de moldeo de la clase antes mencionada. En dicho documento se describe una mezcla de materiales de moldeo que proporciona una resistencia mecánica en verde mejorada y una estabilidad frente a la humedad de las piezas moldeadas en bruto fabricadas a partir de ella, sin afectar esencialmente a las resistencias mecánicas finales frente a un aglutinante de vidrio soluble sin dióxido de silicio amorfo.

A partir del documento WO 2005/012203 se conoce un procedimiento con el que se puede producir un molde o una pieza moldeada en bruto utilizando compuestos de óxido de silicio amorfos. Para ello, el compuesto amorfo se dispone con al menos una base, otros aditivos tales como organosilicatos de metales alcalinos y una arcilla en forma de plaquitas como material base en un sistema bicomponente y se mezcla. Con ello se forma una fase de expansión sobre la superficie de las partículas de SiO_{2} amorfas que conduce a un aumento de la resistencia mecánica de la pieza verde en bruto.

A partir del documento EP 1 122 002 se conoce un procedimiento para la fabricación de cuerpos moldeados, en el que se hace reaccionar un álcali con un óxido de metal en partículas en un molde, bajo formación de metalatos, y seguidamente se seca en la zona de borde del molde bajo solicitación con CO_{2}, conservándose en el molde una zona de macho que no ha reaccionado. En calidad de óxido de metal en partículas, que constituye en esencia el molde consolidado, puede utilizarse, en particular, silicato fumante.

Una elevada resistencia al flujo de un material de moldeo o de una mezcla de materiales de moldeo determina, durante su carga en un molde en una máquina de hacer machos, un flujo irregular, en el que la corriente de material de moldeo se somete a velocidades de flujo y fuerzas de cizalladura que varían bruscamente. Un flujo irregular puede afectar negativamente a la calidad del amoldamiento, en particular en el caso de perfiles finamente divididos y la superficie de la pieza moldeada en bruto. Además, la afluencia irregular puede provocar una densidad irregular de la pieza moldeada en bruto fabricada. La densidad irregular determina un comportamiento en la solidificación desfavorable de la pieza moldeada en bruto y puede tener como consecuencia tramos de la pieza moldeada en bruto parcialmente porosos y capacidades de conducción térmica no homogéneas.

A partir del documento DE 10 2004 042 535 se conoce adaptar la capacidad de flujo de una mezcla mediante aditivos en forma de plaquitas tales como, p. ej., grafito o MoS_{2}. Sin embargo, con ello se incrementa el riesgo de reticulaciones irregulares, dado que, en particular los aditivos en forma de plaquitas, pueden formar durante el secado puentes de aglutinante a lo largo de sus caras que se extienden de forma plana, delimitadas localmente con partículas adyacentes del material de moldeo. Los puentes de aglutinante entre las superficies laterales de aditivos en forma de plaquitas de este tipo y las partículas adyacentes del material de moldeo se ven sometidos a oscilaciones impredecibles en cuanto a su número, tamaño y estabilidad en comparación con puentes de aglutinante que se configuran directamente entre partículas del material de moldeo. Una reticulación local, adicional, de este tipo, de grupos de partículas del material de moldeo a través de plaquitas modifica las propiedades de la pieza moldeada en bruto de una forma localmente no controlable. En el caso de una distribución irregular con grupos de partículas del material de moldeo de elevado grado de reticulación ya no se garantiza un comportamiento uniforme del molde secado en la fundición. Así, un grupo de partículas del material de moldeo puede formar, mediante aditivos en forma de plaquitas, fuertes puentes de aglutinante individuales, que reticulan firmemente entre sí varias partículas dentro del grupo de partículas. Con ello, se pueden producir seguidamente desde defectos en la fundición hasta el fracaso de la pieza moldeada en
bruto.

Por otra parte, los aditivos en forma de plaquitas ponen a disposición en la mezcla de materiales de moldeo, a través de su forma geométrica, las superficies de deslizamiento necesarias para la mejora de la fluencia. La composición y elaboración de una mezcla de materiales de moldeo se han de coordinar con exactitud según el estado conocido de la técnica en el caso de aditivos en forma de plaquitas en series de ensayos complejas con las propiedades de la pieza moldeada en bruto a fabricar tal como, p. ej., un macho de arena.

Los machos de arena requeridos en la fundería se fabrican en máquinas de hacer machos. En este caso, un material de moldeo, que contiene arena del macho, aglutinante y áridos, se dispara a alta velocidad en una caja de machos mediante expansión repentina de un volumen de aire comprimido delimitado.

Con el fin de alcanzar tiempos de cadencia lo más breves posibles y una carga económica de las instalaciones se incrementó de forma continua la velocidad con la que se dispara la arena del macho.

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En este caso resulta problemático el transporte de material y la compactación del material de moldeo en la caja de machos. Moldes para machos de configuración compleja con porciones excavadas de pequeñas dimensiones ya no son rellenados por completo o lo son de forma irregular por las altas velocidades de disparo.

Procedimientos según el estado conocido de la técnica describen, para la solución de este problema, medidas tales como compactación subsiguiente, procedimientos de disparo de varias etapas o materiales de moldeo reactivos, parcialmente líquidos, que se endurecen lentamente en la caja de machos. Estas medidas están ligadas a una complejidad del equipo incrementada y/o a tiempos de cadencia mayores, lo cual perjudica una producción acelerada y económica de machos, moldes o piezas moldeadas en bruto. Además, se puede controlar difícilmente la reticulación por parte de los materiales de moldeo reactivos. Para que tenga lugar una reacción de reticulación que discurra de modo uniforme debería hacerse reaccionar la mezcla de materiales de moldeo homogéneamente con un espesor uniforme de capa. Por el contrario, las piezas moldeadas en bruto están expuestas, en su configuración espacial, a un reparto deliberado y localmente distinto del calor durante el proceso de fundición. Por lo tanto, la reacción de reticulación en un material de moldeo reactivo es, a menudo, irregular. El calor de la reacción liberado durante la reacción, así como productos de reacción tales como, p. ej., agua o CO_{2}, afectan en este caso al transcurso de la reacción. Con ello se producen, en zonas de diferente grosor de las piezas moldeadas en bruto, reticulaciones distintamente marcadas de las partículas de los materiales de moldeo que, de nuevo, afectan a las propiedades de la pieza moldeada en bruto durante el proceso de fundición. Piezas de fundición complejas requieren, al utilizar materiales de moldeo reactivos, transcursos de la fabricación complejos y controlados de forma precisa de las piezas moldeadas en bruto, con el fin de poder proporcionar propiedades suficientemente uniformes de las piezas moldeadas en bruto para la fundición.

La reticulación no sólo juega un papel importante para la resistencia mecánica alcanzable, sino también para el posterior comportamiento en la desintegración. Por una parte, el material de moldeo o la pieza moldeada en bruto debe alcanzar una elevada resistencia en verde en un tiempo muy breve. Por otra parte, el macho fabricado debe resistir elevadas solicitaciones térmicas durante el proceso de fundición, sin que pierda su exactitud dimensional. Una vez efectuado el vaciado en el molde, la estructura del macho debe, sin embargo, presentar buenas propiedades de desintegración, es decir, debe poder ser reducido a sus componentes originales con medios lo más sencillos posibles.

Es misión de la presente invención desarrollar un material de moldeo o una pieza moldeada en bruto o bien un procedimiento para su fabricación, con los cuales se posibilite una elevada calidad de machos de arena con una compactación uniforme de las partículas del material de moldeo en un procedimiento económico. Además, la capacidad de carga térmica de las piezas moldeadas en bruto fabricadas debe mejorarse de manera que puedan llevarse a cabo también modernos procedimientos de fundición con altos tiempos de espera del molde. Después, el molde o el macho debe poder ser destruido fácilmente con medios mecánicos y debe poder ser transformado en sus componentes de partida.

Es esencial en el sentido de la presente invención el uso de 1 a 10% en peso de SiO_{2} amorfo, esférico y disuelto, en el que está contenido como máximo una proporción de 1,5% en peso de partículas con un diámetro de 45 o más micrómetros en una mezcla a base de arena silícea y un aglutinante sobre una base de silicato de metal alcalino. Sobre la superficie del dióxido de silicio debe configurarse una fase de expansión que presenta un espesor de 0,5-1%, referido al diámetro medio del grano.

En el sentido de la presente invención, disolver significa que sobre el SiO_{2} amorfo se configura una fase de expansión con más del 85% de pureza en una suspensión establecida con un valor del pH de 9 a 14. La fase de expansión resulta como capa sobre el SiO_{2} amorfo, con formación de una estructura espacial de grupos silicato unidos entre sí del SiO_{2} amorfo. Los espacios huecos entre los grupos silicato son rellenados por el líquido ajustado a un pH alcalino. En este caso, puentes oxígeno individuales son rotos en cada caso por 2 iones OH del líquido alcalino y, bajo la formación de una molécula de H_{2}O, son reemplazados por dos grupos -O^{-} separados, cargados negativamente, y los espacios huecos de la estructura se ensanchan. Mediante el ensanchamiento de los espacios huecos en la fase de expansión resultan islas de adherencia localmente delimitadas. El ensanchamiento del diámetro medio del grano del SiO_{2} seco original durante la disolución proporciona un diámetro de las partículas aumentado en un 1 a 2%. En estado disuelto, el SiO_{2} esférico amorfo presenta una fase de expansión en forma de una capa de gel con estructura estable. Un SiO_{2} amorfo con una fase de expansión de este tipo se denomina, en el sentido de la presente invención, también ajustada a un pH alcalino.

Si la proporción de SiO_{2} amorfo con un tamaño de grano de más de 45 micrómetros es más de 1,5%, entonces se obtienen mezclas de materiales de moldeo con una fluidez oscilante que, además, requieren un mayor tiempo de secado para conseguir la resistencia en verde necesaria. En el caso de esferas de SiO_{2} mayores, disminuye el número total de esferas de SiO_{2} por proporción en peso, así como la superficie disponible por las partículas. Además, las partículas con un diámetro creciente muestran un ángulo de curvatura que disminuye por unidad de longitud. En el caso de acumularse partículas mayores una sobre otra se produce, como consecuencia del ángulo de curvatura reducido, una mayor superficie de contacto que posibilita una cohesión más sólida y una aglomeración más intensa. Una distribución irregular y una reticulación de las distintas partículas puede explicarse mediante aglomerados en combinación con el número total decreciente de esferas de SiO_{2}.

Si, en el caso de 1 a 10% de SiO_{2} amorfo con un grano esférico a un diámetro medio de los granos entre 10 y 45 micrómetros la proporción de los granos con un tamaño de grano de más de 45 micrómetros era menor que 1,5%, se podían fabricar moldes o piezas moldeadas en bruto con una fluencia constantemente mejorada y un tiempo de secado uniforme. Las partículas de SiO_{2} esféricas están repartidas uniformemente entre las partículas de arena silícea en calidad de inductores del deslizamiento, separan a las partículas de arena silícea entre sí e impiden un encajamiento bloqueante de las partículas de arena silícea. El deslizamiento mutuo se efectúa a través de la fase de expansión estable, configurada superficialmente, que proporciona una movilidad mejorada de las partículas de arena silícea entre sí en el proceso de fluencia.

Si la pureza del SiO_{2} es menor que 85%, entonces se modifica localmente el comportamiento químico de esferas individuales de SiO_{2} durante la disolución mediante las impurezas, y el ensanchamiento del diámetro del grano resulta con distinta intensidad. Esto se puede explicar mediante una capa de expansión inestable y configurada de manera no unitaria. Piezas moldeadas en bruto, producidas con SiO_{2} amorfo con menos de 85% de pureza, presentan una tendencia fuertemente oscilante para la adherencia de partículas de materiales de moldeo al metal tras la fundición. Si la pureza del SiO_{2} es mayor que 85%, entonces se proporcionan regularmente piezas moldeadas en bruto con una tendencia reducida a la adherencia de partículas de materiales de moldeo al metal tras la fundición.

De acuerdo con la invención, el SiO_{2} esférico, disuelto, se añade al material de moldeo en una cantidad de 1 a 10% en peso. Los autores de la invención parten del hecho de que la fase de expansión, que rodea a las partículas de SiO_{2} esféricas, presenta una adherencia y un rozamiento de deslizamiento claramente reducido con respecto a las partículas de arena silícea contiguas. Con una adherencia y un rozamiento de deslizamiento reducidos, el SiO_{2} amorfo, empleado como partículas de SiO_{2} esféricas, puede separar partículas de materiales de moldeo contiguas en el proceso de fluencia y dejar que se deslicen a través de la fase de expansión configurada sobre las superficies de las esferas de SiO_{2} con una resistencia al deslizamiento entre ellas reducida. Por consiguiente, en el proceso de fluencia, el comportamiento de fluencia mejorado se puede explicar mediante una capa de gel, configurada de forma duradera y estable frente al rozamiento, con propiedades de rozamiento de deslizamiento particularmente favorables sobre el SiO_{2} amorfo. En los puntos de apoyo las partículas de SiO_{2} y de material de moldeo están separadas entre sí mediante la fase de expansión estable, estando determinado el rozamiento de deslizamiento de las superficies de las partículas por la fase de expansión.

La mezcla de materiales de moldeo de acuerdo con la invención puede utilizarse, ventajosamente, en dispositivos y procedimientos, que preven el secado de mezclas de materiales de moldeo a base de arena silícea y aglutinante acuoso de silicato de metal alcalino, sin utilizar otras medidas constructivas. El SiO_{2} disuelto libera igualmente durante el secado solamente agua y posibilita una realización sencilla de la reacción sin medidas adicionalmente necesarias para procesos químicos o productos de reacción adicionales.

Si la proporción de SiO_{2} esférico amorfo es más de 10% en peso, entonces se requieren tiempos de secado más prolongados para la separación completa del agua. En el caso de una proporción incrementada de partículas de SiO_{2} en la pieza moldeada en bruto, partículas de SiO_{2} contiguas conforman de forma creciente puntos de apoyo comunes. En la zona de los puntos de apoyo comunes se forman zonas mayores de estructuras contiguas, espaciales y con contenido en agua de la fase de expansión configurada superficialmente. Los autores de la invención atribuyen los tiempos de secado más prolongados al elevado número de las zonas mayores de las estructuras con contenido en agua. Con una proporción de SiO_{2} esférico amorfo de 1 a 10% en peso se obtienen mezclas de materiales de moldeo que, de forma repetible tras un tiempo de secado constante, presentan la necesaria resistencia en verde.

De manera sorprendente, SiO_{2} esférico, amorfo y disuelto mostró, junto a la fluencia mejorada, un aumento de la resistencia mecánica de las piezas moldeadas en bruto producidas a partir del material de moldeo con una superficie del SiO_{2} ajustada a un pH alcalino. Los autores de la invención suponen que la fase de expansión, configurada sobre la superficie del SiO_{2} amorfo, en el secado con cada punto de apoyo sobre una partícula de arena silícea contigua proporciona un número incrementado de centros de unión dispuestos en forma de islas, para la formación de puentes de unión.

Otros efectos ventajosos resultan con ayuda de los siguientes ejemplos de realización. Los ejemplos de realización sirven para explicar la invención y no han de entenderse como limitantes de la invención en sus combinaciones de características. Las características pueden encontrar aplicación en el marco de la invención, tanto individualmente como en combinación.

En calidad de material de moldeo se fabricaron diferentes mezclas, utilizando los siguientes materiales de partida:

: arena silícea lavada del tipo H32, diámetro medio de grano 0,32 mm,

: aglutinante inorgánico sobre una base de silicato de metal alcalino, con un contenido en hierro, cadmio y/o aluminio de 0,01-0,5%,

: SiO_{2} esférico, amorfo, con una proporción de partículas mayores que 45 micrómetros de a lo sumo 1,5% y una pureza de más del 85%.

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La determinación del tamaño medio de los granos se realizó en un granulómetro según el principio del análisis de la luz difusa, mediante un láser de diodos de luz roja con múltiples detectores en una celda de reposo de 15 mi con agitador magnético. El análisis del tamaño de las partículas se realiza en este caso mediante procedimientos de difracción por láser conforme a la norma DIN/ISO 13320. Las partículas a determinar se trasladaron a una suspensión con un agente dispersante adecuado. En cada caso, para la medición del tamaño de grano se añadieron 0,1 mi de la suspensión homogeneizada en una celda de medición con agua formulada y destilada, y el tamaño del grano se determinó en el espacio de un minuto. El SiO_{2} amorfo utilizado presentaba un tamaño medio del grano de 30 a 45 micrómetros.

Para la determinación de la fase de expansión estable, configurada, las esferas de SiO_{2} se incorporaron en suspensión en la celda de medición y el tamaño del grano se determinó a intervalos de 30 segundos hasta que durante varios minutos ya no se podía comprobar modificación alguna.

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Ejemplo 1 Capacidad de carga térmica de las piezas moldeadas en bruto

Dos mezclas se dispusieron, en el espacio de 3 minutos, en un mezclador de aletas y, a continuación, se dispararon en una máquina de disparo de machos en cada caso en machos. Se utilizó una suspensión de SiO_{2} amorfo, previamente preparada con una parte del aglutinante, con el fin de alcanzar rápidamente una mezcladura a fondo homogénea de los componentes. La suspensión tenía un valor del pH de 9,2 y se mezcló junto con los otros componentes en el mezclador tal como estaba prescrito. La presión de disparo era de 5 bar, el tiempo de disparo de 1 segundo y la depresión aplicada de 0,9 bar. Los machos se pre-endurecieron en la caja de machos durante 30 segundos a 180ºC en la máquina, se retiraron como piezas verdes en bruto, seguidamente se secaron en un microondas durante 3 minutos a 1000 vatios y, a continuación, se pesaron. En este caso, se trata de machos para la fundición de una barra de flexión extendida a lo largo con 185,4 mm por 22,7 mm por 22,7 mm. Para la fundición se utilizó una masa fundida de fundición gris con una temperatura media de 1275ºC \pm 25ºC en la cuchara de colada. Las barras fundidas se liberaron de los machos al cabo de un tiempo de enfriamiento de 3 días. A continuación, se examinaron en cada caso 4 barras en cuanto a su comba.

La comba de una pieza fundida resulta de la solicitación térmica del macho durante la fundición, en combinación con la fuerza de elevación generada por el metal que afluye. Es una medida de la estabilidad a la temperatura y la exactitud dimensional de un material de machos. La comba se determinó en las barras acabadas, extendidas transversalmente al aparato de medición en el centro de la barra, como la desviación media de los cantos exteriores de la horizontal. En la Tabla siguiente se recogen mezclas de materiales de moldeo y valores de medida.

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TABLA 1

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Las barras creadas con los machos fabricados de acuerdo con la invención confirman, por término medio, una menor tendencia de los machos a la comba durante la fundición.

Una menor comba apunta a una estructura mejorada en la pieza moldeada en bruto, que está en condiciones de absorber las tensiones de deformación que se manifiestan en el tratamiento térmico. Las tensiones de deformación se justifican por procesos de deshidratación y de sinterización que son desencadenados en la pieza moldeada en bruto por la elevada temperatura del material afluyente. Los autores de la invención parten del hecho de que las esferas de SiO_{2} uniformemente repartidas configuran durante el secado, a través de su fase de expansión configurada superficialmente, una pluralidad de puentes de aglutinante a partículas de arena contiguas. Debido al gran número de pequeños puentes de aglutinante que unen las partículas, las tensiones de deformación pueden repartirse, a través de la reticulación homogénea de las partículas de material de moldeo, por una pluralidad de puentes de aglutinante en volúmenes mayores de las piezas moldeadas en bruto y pueden compensarse elásticamente.

A través de una reticulación homogénea y finamente dividida se puede explicar la capacidad de carga térmica incrementada de una pieza moldeada en bruto de acuerdo con la invención.

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Ejemplo 2 Densidad de las piezas moldeadas en bruto

Tal como se describe en el Ejemplo 1, se dispararon dos mezclas en un macho. Para cada mezcla se produjeron en cada caso 4 machos iguales, en forma de barra, del mismo volumen. En la Tabla siguiente se recogen mezclas y pesos.

TABLA 2

2

Los machos de acuerdo con la invención muestran un mayor peso por término medio. En el caso de cuerpos de volúmenes iguales, un peso más elevado corresponde a una densidad más elevada. La escasa desviación del peso del macho individual del valor medio puede explicarse por el comportamiento a la fluencia y a la compactación mejorado con respecto a una mezcla de materiales de moldeo con aceite de silicona.

La mezcla comparativa presenta, a pesar de un agente de flujo añadido, una masa media menor de los machos. Además, los pesos de los distintos machos se ven sometidos a desviaciones claramente mayores del valor medio.

Las densidades alcanzadas apuntan a una fluencia más uniforme y mejorada de la mezcla de materiales de moldeo durante el disparo en el molde. Las esferas de SiO_{2}, con su fase de expansión configurada superficialmente, dejan que las partículas del material de moldeo se deslicen una junta a otra con mayor facilidad. En este caso, la fase de expansión permite que las partículas de arena del molde se deslicen más fácilmente, a través de los puntos de apoyo de escasa superficie, sobre las esferas de SiO_{2}. Esto puede explicar el por qué en la mezcla de materiales de moldeo en el fundente aparezcan, por ejemplo en menor medida, encajamientos bloqueantes de las partículas de arena silícea entre sí. La partícula de arena individual presenta una movilidad mejorada frente a las partículas de material de moldeo contiguas, y la mezcla de materiales de moldeo proporciona, también en el caso de fuerzas de cizalladura elevadas como se manifiestan en el caso del disparo a presión elevada, una capacidad de flujo más uniforme y mejor.

Tal como se explica en lo que sigue, la resistencia en verde así como la resistencia final de los machos refleja los resultados de la determinación del peso. Los machos de acuerdo con la invención muestran una oscilación claramente menor de la resistencia en verde así como final determinada por la solicitación puntual hasta la deformación.

Con la mezcla de acuerdo con la invención se pudieron conseguir, con un contenido reducido de aglutinante, densidades más constantes y elevadas de los machos producidos.

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Ejemplo 3 Resistencia final de las piezas moldeadas en bruto

Para investigar la influencia de la adición de SiO_{2} sobre la resistencia final de los machos se empleó una suspensión de SiO_{2} esférico, amorfo en una cantidad mayor de aglutinante. A continuación, se elaboraron en total 4 cargas con los demás componentes, en las mismas condiciones a las descritas en el Ejemplo 1, para formar en cada caso 4 machos. A continuación, se preparó una mezcla comparativa como se describe en el Ejemplo 2 e igualmente se elaboró para formar 4 machos.

Los machos con adición de SiO_{2} mostraron todos la densidad elevada, conocida del Ejemplo 1. Los machos secados finales se dispusieron en un dispositivo de doblar de 3 puntos y se determinó la fuerza que conducía a la rotura del macho. Esta fuerza se designa en la siguiente Tabla "fuerza de rotura". En este caso, en los machos con adición de SiO_{2} se manifestó una resistencia a la flexión creciente de carga de macho en carga de macho. Este fenómeno se pudo correlacionar con el valor del pH de las suspensiones de SiO_{2}-aglutinante secuencialmente añadidas. La resistencia a la flexión máxima se alcanzó a un valor del pH constante de la suspensión empleada. La Tabla siguiente muestra el valor del pH determinado en el instante de la adición de la suspensión, el tiempo aproximado de espera de la suspensión, así como la resistencia a la flexión media para en cada caso 4 machos.

TABLA 3

3

La Tabla del Ejemplo 3 muestra que mediante la adición de SiO_{2} amorfo, disuelto y esférico a una mezcla de materiales de moldeo se mejora la resistencia a la flexión de un macho producido a partir de ella. Además, se observa una influencia del valor del pH de la suspensión de SiO_{2}. Primeramente, disminuye el valor del pH de la suspensión ajustada a un pH alcalino, lo cual se puede explicar por el consumo de iones OH^{-} durante la formación de la fase de expansión. Después de aproximadamente 4 minutos se ha alcanzado un valor del pH reducido en 0,6 pH, el cual ya sólo varía ligeramente. Al cabo de aprox. 4 minutos, se puede considerar, por consiguiente, conforme al modelo explicativo de los autores de la invención, disuelta casi por completo la superficie del SiO_{2} y recubierta con una fase de expansión. El SiO_{2} amorfo, ajustado a un pH alcalino, va acompañado de una resistencia a la flexión, claramente mejorada, de los machos producidos.

Se llevaron a cabo otros ensayos de la estabilidad del valor del pH de una suspensión alcalina de SiO_{2} amorfo y esférico como se describe seguidamente.

SiO_{2} amorfo, esférico, con un grado de pureza y una característica del tamaño de grano de la forma prescrita se suspendió en una disolución de silicato de metal alcalino y/o lejía de sosa, con un valor del pH ajustado a 9 hasta 14. El contenido de SiO_{2} en la suspensión se encontraba entre 10 y 80% en peso, de preferencia entre 20 y 70% en peso. El valor del pH de la suspensión ajustada a un pH alcalino se determinó seguidamente a intervalos de 30 segundos. Al comienzo del ensayo, las suspensiones mostraron el rápido descenso prescrito del pH. Al cabo de a lo sumo 4 minutos, el valor del pH se mantuvo estable con una variación máxima de aprox. 0,1 pH por minuto, Después de un tiempo de espera de a lo sumo 10 minutos, la suspensión del SiO_{2} amorfo, ajustado de modo alcalino, ya no mostró durante varias horas variación alguna del valor del pH.

Suspensiones de SiO_{2} estables frente al pH y ajustadas a un pH alcalino siguieron mostrando, junto al comportamiento a la fluencia mejorado, confirmado en el Ejemplo 2, la resistencia final mejorada, que se observa en la Tabla 3 del Ejemplo 3, de los machos producidos a partir de ellas.

En el caso de una concentración alcalina que era claramente mayor que la concentración de una tanda para un valor del pH de 14, se comprobó un diámetro del grano ajustado de modo alcalino lenta y constantemente decreciente de las partículas de SiO_{2}. Esto se puede explicar por una lenta disolución de las partículas de SiO_{2} por la concentración varias veces supra-estequiométrica de álcali. Mezclas de materiales de moldeo, así preparadas, no mostraron ni una fluencia mejorada ni una mejor resistencia final de los moldes producidos, lo cual se puede explicar por la morfología cambiante de la superficie de SiO_{2} que se disuelve.

En el caso de un valor del pH ajustado de menos de 9 no se pudo alcanzar en todas las suspensiones la formación de una fase de expansión con un aumento del diámetro medio de los granos de 1 a 2% en el espacio de los primeros 4 minutos. Si el aumento del diámetro medio de los granos era menor que 1%, entonces las suspensiones mostraban mejoras fluctuantes de la fluencia, sin alcanzar las fluencia previamente alcanzadas en el caso de una fase de expansión configurada de forma estable. Fases de expansión que se caracterizaban por un aumento del diámetro medio del grano de 1 a 2%, mostraban la fluencia mejorada, prescrita. En los siguientes ensayos, las suspensiones se ajustaron a un valor del pH de al menos 9 con el fin de ajustar de manera fiable, en el espacio de los primeros 4 minutos, un valor del pH estable y una fase de expansión con un aumento del diámetro medio de los granos del SiO_{2} seco, original, de 1 a 2%.

Piezas moldeadas en bruto ventajosamente mejoradas se encontraron en otros ensayos en el caso de mezclas, en las cuales el tamaño medio de los granos de las partículas de arena y el tamaño medio de los granos del SiO_{2} amorfo presentaban el mismo orden de magnitud. Así, por ejemplo, se emplearon mezclas de materiales de moldeo que contenían una fracción de arena sílícea clasificada y tamizada con un tamaño de los granos en el intervalo en torno a 0,01 mm, lo cual corresponde a 10 micrómetros, y 1 a 10% de SiO_{2} esférico, amorfo, con un diámetro medio de los granos entre 10 y 45 micrómetros. Mezclas de materiales de moldeo de este tipo proporcionaron, a la misma velocidad de agitación, en poco tiempo una mezcla homogénea y proporcionaron, en la elaboración para formar la pieza moldeada en bruto, también con una pequeña presión de disparo, piezas moldeadas en bruto con una densidad, uniformidad y fidelidad de perfil mejoradas.

Los resultados del Ejemplo 2 sustentan la teoría de que una fase de expansión alcalina constante y estable sobre el SiO_{2} amorfo activa su superficie y coopera en la configuración de puentes de aglutinante mediante centros de unión adicionales. Se puede asumir que la superficie de una partícula de SiO_{2} ajustada a un pH alcalino de este tipo se caracteriza por grupos oxígeno cargados negativamente.

Especialmente en instalaciones en las cuales los componentes individuales de una mezcla de materiales de moldeo se conservan a lo largo de varios días en grandes contenedores, la suspensión de SiO_{2} ajustada a un pH alcalino se puede producir ventajosamente mediante mezcladura de SiO_{2} esférico, seco y amorfo con el aglutinante alcalino. Mediante la preparación de la suspensión inmediatamente antes de su uso, el SiO_{2} amorfo se ajusta a un pH alcalino de forma reciente y con una calidad uniforme. Con una proporción de 1 a 10% en peso de SiO_{2} reciente ajustado a un pH alcalino, referida a la cantidad de arena, se pudo proporcionar en los ensayos, de manera fiable, una mezcla de materiales de moldeo con una fluencia mejorada y una mayor resistencia final de las piezas moldeadas en bruto, producidas a partir de ella.

Mezclas de materiales de moldeo con otros áridos, que se componían de compuestos de ácido fosfórico y/o bórico, se manifestaron desventajosas. Aditivos de este tipo, que son conocidos para la mejora de aglutinantes inorgánicos, reducen el valor del pH en las mezclas de materiales de moldeo y empeoran la fluencia de la mezcla. Se demostró que aglutinantes sobre la base de silicatos de metales alcalinos reaccionan con aditivos de carácter ácido con formación de sales. Con un aglutinante sobre una base de metales alcalinos pura sin otros áridos de la clase antes mencionada se pudieron comprobar, de manera fiable, los efectos de acuerdo con la invención en la mezcla total en el caso de un contenido en aglutinante de 1 a 10%.

Además, sustancias acompañantes de carácter débilmente básico, tales como óxidos de metales, que pueden ser incorporadas en forma de hidróxidos en estructuras silicáticas, se manifestaron como reductoras del tiempo de secado. En comparación con un aglutinante puro de silicato de metal alcalino, un aglutinante sobre la base de silicato de metal alcalino, con un contenido en hierro, aluminio y/o cadmio de 0,01 a 0,50%, mostró, en la fabricación de piezas moldeadas en bruto, un tiempo de secado reducido en un 5%.

Con la mezcla de acuerdo con la invención se alcanza una mayor resistencia final de los machos.

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Ejemplo 4 Propiedades en el proceso de fundición

Con el fin de verificar la tendencia de un material de moldeo de acuerdo con la invención a la formación de puentes adherentes en la fundición se emplearon dos mezclas tal como se describe en el Ejemplo 2 y se elaboraron para formar en cada caso 4 machos. Los machos estaban previstos para la fundición de barras, cuya sección transversal presente un perfil en H. Así, durante la fundición se ofrece una superficie aumentada para la configuración de posibles puentes adherentes. Al igual que antes, se utilizó una masa fundida de fundición gris con una temperatura media de 1275ºC \pm 25ºC en la cuchara de colada, y las barras fundidas se liberaron de los machos después de un tiempo de enfriamiento de 3 días. En este caso, las barras se hicieron vibrar con ayuda de un martillo, a continuación se liberaron de partes de macho adheridas con ayuda de un mandril y, seguidamente, se investigaron adherencias rebeldes y mineralizaciones.

En la Tabla siguiente se recogen mezclas de materiales de moldeo y la valoración de las adherencias.

TABLA 4

5

Después de la fundición, los machos de acuerdo con la invención se pueden retirar sin más mediante varios golpes de martillo. Las barras dejadas al descubierto de esta forma presentan todavía adherencias de arena, las cuales pueden ser eliminadas mediante un baño de ultrasonidos.

Los machos comparativos solamente se pudieron retirar de las barras con golpes de martillo. Después de dejar al descubierto las barras con ayuda de un mandril, éstas se limpiaron en un baño de ultrasonidos y, a continuación, se examinaron. En este caso se encontraron, por una parte, adherencias rebeldes de arena, las cuales se pudieron desprender con ayuda del mandril. Por otra parte, se encontraron mineralizaciones, en las cuales la arena adherente sólo pudo ser retirada en parte aplicando una gran fuerza y dañando la superficie de la barra.

En comparación, la mezcla de materiales de moldeo de acuerdo con la invención se pudo retirar después de la fundición de una forma más sencilla y rápida. Con machos a base del material de moldeo de acuerdo con la invención se obtuvieron piezas fundidas con escasas adherencias de arena fácilmente separables. No se encontraron mineralizaciones tales como aparecen en las piezas fundidas comparativas.

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Ejemplo 5 Propiedades de desintegración de las piezas moldeadas en bruto

Con el fin de examinar las propiedades de desintegración de piezas moldeadas en bruto de las mezclas de materiales de moldeo de acuerdo con la invención, se emplearon dos mezclas tal como se describe en el Ejemplo 2 y se elaboraron para formar en cada caso 4 machos. Los machos se investigaron después de la fundición en cuanto a sus propiedades de desintegración. Como ya se ha descrito, se utilizó una masa fundida de fundición gris en la cuchara de colada y las piezas moldeadas en bruto con las barras fundidas se examinaron después de un tiempo de enfriamiento de 3 días. El examen de las piezas moldeadas en bruto se realizó después de extender las piezas fundidas, unidas con un generador de oscilaciones, en una posición de cabeza abajo. El generador de oscilaciones solicitó a la pieza fundida con una oscilación de 30 hercios con un pico de impulsos de una potencia de hasta 1,4 kW. Con ello se midió el tiempo en el que el 90% así como el 99% de la pieza moldeada en bruto se había desprendido de la pieza fundida.

En la Tabla siguiente se recogen mezclas de materiales de moldeo y la valoración de las propiedades de descomposición.

TABLA 5

6

Después de la fundición, las piezas moldeadas en bruto de la mezcla de acuerdo con la invención presentan tiempos claramente más cortos para el desprendimiento de la pieza moldeada en bruto de la pieza fundida. Las piezas moldeadas en bruto de la mezcla de acuerdo con la invención mostraron en este caso un modelo de grietas de celdas pequeñas, que se extendía rápidamente y que, poco después, conducía al desprendimiento uniforme de la pieza moldeada en bruto en segmentos pequeños. Las adherencias de arena remanentes pudieron ser eliminadas de la superficie de la pieza fundida en un baño de ultrasonidos o también manualmente con un simple paño.

La mezcla comparativa muestra en su comportamiento a la desintegración tiempos de desprendimiento claramente mayores con una formación irregular de grietas en la pieza moldeada en bruto y un desprendimiento irregular en segmentos de distinto tamaño. Además, después del desprendimiento del 99% en peso de la pieza moldeada en bruto queda una superficie cubierta de granos de arena firmemente adheridos que, a diferencia de la mezcla de acuerdo con la invención, solamente podía ser liberada de arena de forma incompleta, tanto manualmente como en el baño de ultrasonidos.

Los autores de la invención atribuyen el superior comportamiento a la desintegración a los puentes de aglutinante reticulados, configurados uniformemente, entre las partículas de arena y el SiO_{2} amorfo. La pluralidad de puentes de aglutinante distribuidos uniformemente aumenta, por una parte, la resistencia mecánica y la elasticidad de la pieza moldeada en bruto, pero, localmente y referida a los distintos puentes de aglutinante, puede ser rota, en el caso de un impulso brusco, con una fuerza claramente menor. Por consiguiente, la reticulación de los puentes es más uniforme, pero también claramente menor a como es el caso en la mezcla comparativa. Mediante un número incrementado de puentes de aglutinante con una capacidad de carga reducida de los distintos puentes configurados, se puede explicar así una ventajosa combinación de resistencia mecánica mejorada y un comportamiento a la desintegración favorable.

Las piezas moldeadas en bruto de acuerdo con la invención muestran, después de la retirada del macho después de la fundición, un comportamiento a la desintegración más rápido y uniforme.

Con la mezcla de materiales de moldeo de acuerdo con la invención se pueden fabricar piezas moldeadas en bruto las cuales, en la subsiguiente fundición, compensan de forma más uniforme una solicitación térmica. Las piezas fundidas, así accesibles, se distinguen por una fidelidad mejorada de la forma, lo cual se puede explicar por una reticulación uniforme de las partículas del material de moldeo sobre los puentes de aglutinante configurados con SiO_{2} amorfo y disuelto.

El comportamiento a la compactación de las mezclas de materiales de moldeo compuestas de acuerdo con la invención era particularmente favorable. Se comprobaron extraordinarias propiedades de fluencia y se alcanzó una densidad del empaquetamiento muy uniforme.

La Tabla 3 muestra una pequeña oscilación en los valores de resistencia mecánica, lo cual habla a favor de la elevada uniformidad de las piezas moldeadas en bruto creadas de acuerdo con la invención.

En el comportamiento a la desintegración, las piezas moldeadas en bruto de acuerdo con la invención se distinguen, después de la fundición, por una formación de grietas uniforme y mejorada y por tiempos de retirada del macho claramente menores.

La fase de expansión configurada sobre las partículas de SiO_{2}, en unión con el empaquetamiento denso y uniforme da como resultado una alta resistencia a la flexión de los segmentos de barra producidos a partir de los machos. La capa de expansión muestra un grado de reticulación muy bajo en comparación con una mezcla de materiales de moldeo consolidada a través de puentes de aglutinante puros y con contenido en SiO_{2}. El bajo grado de reticulación conduce a pequeñas islas de adherencia, delimitadas localmente (adherencia en bloque al componente constructivo) que, tras el uso de los machos, posibilitan una desintegración acelerada (micro-roturas). El comportamiento a la desintegración de los materiales de moldeo o las piezas moldeadas en bruto de acuerdo con la invención se pudo valorar, por lo tanto, como sorprendentemente favorable. Se pudo renunciar a medios de ayuda adicionales de cualquier tipo.

Claims

1. Material de moldeo o pieza moldeada en bruto para fines de fundición, consistente en 1-10% de aglutinante a base de silicato de metal alcalino, un árido de 1-10% en peso de dióxido de silicio amorfo, esférico y disuelto, resto arena silícea con una granulometría de 0,01-5 mm, en donde el dióxido de silicio amorfo está presente en forma esférica, en donde la proporción de partículas con 45 o más micrómetros de diámetro es de a lo sumo 1,5% en peso, y sobre la superficie del dióxido de silicio amorfo está configurada una fase de expansión que presente un espesor de 0,5-1%, referido al diámetro medio de los granos.

2. Material de moldeo o pieza moldeada en bruto según la reivindicación 1, caracterizado porque el diámetro medio de los granos del dióxido de silicio amorfo se encuentra en un intervalo de 10 a 45 micrómetros.

3. Material de moldeo o pieza moldeada en bruto según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el dióxido de silicio amorfo presenta un grado de pureza de más del 85%.

4. Material de moldeo o pieza moldeada en bruto según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el dióxido de silicio ajustado a un pH alcalino presenta sobre la superficie grupos oxígeno cargados negativamente.

5. Material de moldeo o pieza moldeada en bruto según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque entre el dióxido de silicio ajustado a un pH alcalino y la arena silícea están configurados puentes de aglutinante a través de centros de unión adicionales.

6. Material de moldeo o pieza moldeada en bruto según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el agente alglutinante presenta un contenido en hierro, aluminio o cadmio de 0,01-0,50%.

7. Procedimiento para la fabricación de un material de moldeo o pieza moldeada en bruto para fines de fundición según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque, en calidad de árido, SiO_{2} amorfo, esférico y disuelto, con una proporción de partículas con un tamaño de grano de más de 45 micrómetros de como máximo 1,5% en peso, se transfiere a una suspensión con un contenido en sólidos de 20 a 70% de dióxido de silicio y, con ello, se ajusta un valor del pH de 9-14, porque el dióxido de silicio amorfo se mantiene durante el tratamiento alcalino durante al menos 4 minutos hasta que se haya formado una fase de expansión sobre la superficie del dióxido de silicio, porque el dióxido de silicio se mezcla homogéneamente con arena del molde y aglutinante, obteniéndose una mezcla que presenta 1-10% de aglutinante sobre una base de silicato de metal alcalino, 1-10% en peso de dióxido de silicio amorfo, resto arena silícea, porque el dióxido de silicio, con la arena del molde y el aglutinante, se inyecta a presión en una caja de moldes y se seca para formar un macho final.

8. Procedimiento según la reivindicación precedente, caracterizado porque la superficie del dióxido de silicio amorfo se disuelve, ampliándose en un 2% el diámetro medio de los granos del dióxido de silicio y configurándose una fase de expansión que presenta, de manera correspondiente, un espesor de 0,5-1%, referido al diámetro medio de los granos.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el tratamiento para la configuración de la fase de expansión, comenzando en un valor del pH establecido entre 9 y 14 ha finalizado como máximo a los 10 minutos.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el valor del pH establecido entre 9 y 14 se reduce con una variación máxima de 0,1 pH por minuto.