estudio de algunas propiedades de los moldes de escayola para el

BOLSOCESRCERAM.VÍDR.
27 (1988) I, 11-15
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 Untersuchung sind vornehmlich der Abbindevorgang, die Dehnung, Dichte und Porigkeit, die Wasseraufnahmegeschwindigkeit 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 profundidad 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 consolidada 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 considerado 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 hemihidratado. 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
A. CARVAJAL, R. MORENO
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 esencialmente consiste en lo siguiente: al amasar yeso cocido con
agua se forma, alrededor de sus partículas, una solución
saturada respecto al hemihidrato y fuertemente sobresaturada 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 modificar durante el proceso de cocción. Se disuelven entonces
nuevas cantidades de hemihidrato continuando este proceso 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 escayola se ha realizado utilizando una escayola 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 pérdida 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 transformación del sulfato calcico hemihidrato a anhidrita
soluble y un pico exotérmico a (^ 370 ° C) correspondiente al paso de la anhidrita soluble a insoluble (fig. 1).
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 consideradas; 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 preparado 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 absorción 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
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 colocado 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 INSTRON, mod. 1114.
5pV
100
300
500
700
TEMPERATURA
°C
900
Fig. 1.—Curvas de A TD de la escayola: a) sin tratar y b) mezclada con
agua.
12
Cuando el hemihidrato se mezcla con agua aparece otro
pico endotérmico ('^ 180° C) que corresponde a la pérdida 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/escayola 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/escayola: 60/100, 70/100, 80/100 y 100/100. Dichos moldes 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:
4.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la figura 2 se presenta el tiempo de fraguado de
mezclas de agua/escayola en proporciones comprendidas
BOL.SOCESP.CERAM.VIDR.VOL. 27 - NUM. I
Estudio de algunas propiedades de los moldes de escayola para el colaje de materiales no arcillosos
40
60
30
8 0 70 100
/
c
O
"ü
CO
/ Il
20
V-
0)
c
<D
Û.
10-
/ ní
1 1/1
15
25
35
Tiempo de fraguado, min
Fig. 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 anomalía 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
20
30
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/escayola (14).
Otro factor importante en el estudio de las propiedades de los moldes de escayola es el que se refiere a su
resistencia mecánica, de la cual dependerán la durabilidad y posibilidades 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 mezcla. 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 propicias 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
40
T ie mpo, ( mi n ^
50
Fig. 3.—Expansión lineal de la escayola según la relación agua I escayola.
ENERO-FEBRERO, 1988
13
A. CARVAJAL, R. MORENO
100
«oq.
I
è^
c
•o
Ü
o
40jg
(0
0
"O
T3
CO
"0
O
£
£ 80
c-
-o
e 60
o
(0
13
CO
0,40
"O
20 â
CO
0)
o
> 20
60
70
80
100
Relación en peso H^/Escayola, x100
30
Fig. 4.—Variación de porosidad y capacidad de absorción de agua de
los moldes de escayola.
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/suspensión es la velocidad de filtración de la suspensión 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 (preparadas según ref. 15) en moldes preparados según las relaciones 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 inconveniente de que son más pesados y más costosos; este
40
50
Tiempo, min
60
Fig. 5.—Variación de la absorción de agua con el tiempo.
efecto puede compensarse por el hecho de que aumenta
la resistencia, lo que permite fabricar moldes más estrechos. 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 porosidad decrecen las propiedades mecánicas. La expansión
lineal crece hasta una proporción 70/100 y disminuye
para cantidades mayores.
(D 3 0
ce
60
70
80
100
Relación en peso H20/Escayola, x100
Fig. 6.—Resistencia a la compresión de probetas de escayola.
14
60
70
Relación
80
100
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
Estudio de algunas propiedades de los moldes de escayola para el colaje de materiales no arcillosos
60
70
80
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.
BIBLIOGRAFÍA
1. La céramique et la plâtre. Coloquio organizado por
la Soc. Francesa de Cerámica, marzo 1969. L'industrie Céramique. 620 (1969) 7-8, 505.
ENERO-FEBRERO, 1988
2. PlNAULT, R.: Le plâtre. Matières premières, fabrication, caractéristiques. L'industrie Céramique, 651
(1972) 5, 341-49.
3. LAMBE, C. M.: Preparation and use of plaster molds.
En Ceramic fabrication processes. Edit. W. D. Kingery, pdgs. 31-39. Tech. Press of M.I. T. and John
Wiley & Sons. New York, 1958.
4. KAMPS, D.; KLEIN, D . : Plaster of Paris for moldmaking. Part L cfij DKG, 64 (1987) 5, 174-79.
5. KAMPS, D.; KLEIN, D.: Plaster of Paris for moldmaking. Part IL cfij DKG, 64 (1987) 8/9, 338-40.
6. ADCOCK, D . S.; MCDOWALL, L C : The mechanism
of filter pressing and slip casting. J.Am.Ceram.Soc,
40 (1957) 10, 335-62.
7. WORRALL, W. E.; RYAN, W. E.: The mechanism of
slip casting. J.Brit. Ceram.Soc, 1 (1964) 2, 269-70.
8. JiAJU, L.; RAND, B.: Porosisty and relative permeability of clay casts determined by application of the
filtration theory to slip casting kinetics. Brit. Ceram.
Trans.J., 83 (1984) 186-90.
9. HERRMANN, E. R.; CULTER, I. B.: The kinetics of
slip casting. Trans.Brit.Ceram.Soc, 61 (1962) 20711.
10. WALKER, E. G.; DINSDALE, A.: The physical basis of
the casting process. «The A. T. Green Book», Brit.
Ceram. Res.Assoc. London (1959), 142-49.
11. ARREDONDO, F.: Estudio de materiales, IL El yeso.
Inst. Tec. de la Construcción y el Cemento, C.S.I.C,
Madrid, 1961.
12. CARVAJAL FERNANDEZ, A.: Moldes de escayola en
la obtención de piezas de alta tecnología. Memoria
Graduado en Cerámica. Madrid, 1987.
13. WALKER, E. G.: The role of mould in casting. Trans.
Brit. Ceram.Soc, 64 (1965) 233-49.
14. DIZ, H. M. M.: A influencia das características dos
moldes de gesso e das suspensoes no proceso de
enchimento por barbotina. Rev. Soc. Port. Ceram.
Vidr. 3 (1984) I, 45-52.
15. MORENO, R.; MOYA, J. S.; REQUENA, J.: Obtención
de cuerpos densos de alúmina por colaje. Bol. Soc.
Esp.Cerám.Vidr., 26 (1987) 2, 93-97.
15
nW-
^ ^ l l I l v i i O l c b N G R E S O EXPOSICIÓN , ..
^ S I M B E N T I N O Y II IBEROAIMERICANO
DE'CËRAMll^ifliiRi^^^
'•C.Ml'^
•fc|'í;¿A;Í;¡rv,\.
êpftigftpB^S^BAi
'^¿^^m^^mîm^'
Congreso exposición de
y Refractarios.
y Vidrio
.jV.JIÍíÁAií'WS'Í---.
BUENOS
AIRES
- HËPUBLICA|:|^RGENTINA - NOVIEMBRE 1988
j.;:,ig:?^