Solidificacion

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DE LA DEFENSA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICADE LA FUERZA ARMARA NACIONAL

U.N.E.F.A.NUCLEO PUERTO CABELLO

PUERTO CABELLO, MAYO 2009

SOLIDIFICACIÓN

PUNTOS A EXPONER

•Tolerancia en la Fabricación de Moldes

•Solidificación y Enfriamiento

•Solidificación de Metales Puros

•Solificacion de Aleaciones Eutecticos

Tolerancias en los modelos

En el diseño de los modelos que se utilizan para construir un molde es necesario tener en consideración varias tolerancias.

1. Tolerancia para la contracción. Se debe tener en consideración que un material al enfriarse se contrae dependiendo del tipo de metal que se esté utilizando, por lo que los modelos deberán ser más grandes que las medidas finales que se esperan obtener.

2. Tolerancia para la extracción. Cuando se tiene un modelo que se va a remover es necesario agrandar las superficies por las que se deslizará, al fabricar estas superficies se deben considerar en sus dimensiones la holgura por extracción.

TOLERANCIA EN LA FABRICACIÓN DE MOLDES

Tolerancias en los modelos

3. Tolerancia por acabado. Cuando una pieza es fabricada en necesario realizar algún trabajo de acabado o terminado de las superficies generadas, esto se logra puliendo o quitando algún material de las piezas producidas por lo que se debe considerar en el modelo esta rebaja de material.

4. Tolerancia de distorsión. Cuando una pieza es de superficie irregular su enfriamiento también es irregular y por ello su contracción es irregular generando la distorsión de la pieza, estos efectos deberán ser tomados en consideración en el diseño de los modelos.

5. Golpeteo. En algunas ocasiones se golpean los modelos para ser extraídos de los moldes, acción que genera la modificación de las dimensiones finales de las piezas obtenidas, estas pequeñas modificaciones deben ser tomadas en consideración en la fabricación de los modelos.


METAL

Contracción volumétrica debida a:

Contracción por Solidificación %

Contracción térmica del sólido %

Aluminio 7.0 5.6

Aleación de aluminio (típica) 7.0 5.0

Fundición de hierro gris 1.8 3.0

Fundición de hierro gris al alto carbono

0 3.0

Fundición de acero al bajo carbono 3.0 7.2

Cobre 4.5 7.5

Bronce (CuSn) 5.5 6.0


SOLIDIFICACIÓN Y ENFRIAMIENTO

Después de vaciar el metal fundido en el molde, éste se enfría y solidifica. En esta sección examinaremos los mecanismos físicos de solidificación que ocurren durante la fundición. Los aspectos asociados con la solidificación incluyen el tiempo de enfriamiento del metal, la contracción, la solidificación direccional y el diseño de las mazarotas.

Tiempo de solidificaciónSi la fundición es metal puro o aleación, de todos modos, su solidificación toma tiempo. El tiempo total de solidificación es el tiempo necesario para que la fundición solidifique después del vaciado. Este tiempo depende del tamaño y de la forma de la fundición expresada por una relación empírica conocida como regla de Chvorinov que establece

TST = C m (V / A)nDonde:TST = Tiempo de solidificación total, min;V = Volumen de fundición, (m3);A = Área superficial de la fundición, (m2);n = Exponente que toma usualmente un valor de 2;Cm = Es la constante del molde.

SOLIDIFICACIÓN Y ENFRIAMIENTOSolidificación de los metalesLa solidificación involucra el regreso del metal fundido al estado sólido. El proceso de solidificación difiere, dependiendo de si el metal es un elemento puro o una aleación.

Metales puros. Un metal puro solidifica a una temperatura constante que constituye su punto de congelación o punto de fusión. Los puntos de fusión de los metales puros son bien conocidos. El proceso ocurre en un tiempo determinado como se muestra en la figura 2, conocida como curva de enfriamiento.

Solidificación de MetalesDurante los procesos de fundición, las piezas adquieren su forma gracias a la solidificación de un volumen metal o aleación metálica, forzado a solidificar bajo las restricciones de forma del molde. Las condiciones geométricas del molde, la velocidad de enfriamiento, el tipo de material utilizado, son variables que influyen en el mecanismo interno de solidificación, y por ende influyen en las propiedades mecánicas que tendrá la pieza.

Proceso de SolidificaciónLa solidificación de un metal o aleación metálica en estado líquido ocurre por formación y crecimiento de núcleos. La disminución de energía causada por el enfriamiento produce una aglomeración espontánea de partículas, permitiendo la formación de un núcleo. A medida que la temperatura disminuye, los núcleos crecen, dando origen a los granos que constituirán la estructura del metal sólido.

Figura 3. Proceso general de solidificación


LíquidoLíquido

Núcleo

Cristales que formarán granos

Granos

LíquidoLíquido

Límites de grano

Núcleo

Cristales que formarán granos

Granos

Solidificación de Metales purosLos metales puros, a diferencia de las aleaciones metálicas, poseen una temperatura de fusión bien definida, por lo que, al ser enfriados en equilibrio, toda la masa metálica solidifica a una misma temperatura

Esta temperatura se mantiene constante durante el cambio de fase y es seguida de un enfriamiento en estado sólido. Los metales, sin embargo, normalmente son enfriados bajo condiciones de no equilibrio.

fT


Figura 4. Curva de enfriamiento

Los granos de un metal idealmente puro crecen en forma columnar plana es decir, como un grano alargado- en las zonas inmediatamente aledañas a las paredes de los moldes, en la dirección principal de la transferencia de calor. En las zonas centrales, donde la formación de sólido metálico en las paredes disminuye la conductividad del calor, los granos suelen ser equiaxiales, como se muestra en la figura 5.

Figura 5. Crecimiento planar



Solidificación de AleacionesLas aleaciones metálicas, al estar constituidas por más de un elemento, solidifican en un rango de temperaturas y no a temperatura constante, como los metales puros. Este rango de temperaturas comienza con la temperatura

y termina con la temperatura del diagrama de fase de la aleación, para una composición de aleación dada.

líquidusT

líquidusT

Figura 6. Crecimiento dendrítico

La naturaleza termodinámica de la zona de la interfase, cuestión que determina la forma de crecimiento de grano, queda definida tanto por el gradiente térmico como por la velocidad de solidificación, como se ilustra en la figura 7.

Figura 7. Dependencia de la forma de crecimiento en G / R


Tipos de NucleaciónNucleación HomogéneaLa formación y crecimiento de núcleos durante la solidificación de metales y aleaciones metálicas es el resultado de la disminución temperatura hasta límites en que la energía libre de Gibbs es menor en estado sólido que en estado líquido, es decir, que el estado sólido es más estable que el líquido. La nucleación homogénea es la generación de un núcleo sólido a partir de un sector enteramente líquido. En este caso, la formación de núcleos requiere un cierto gasto energético por concepto de generar un volumen y una superficie.

La formación de un núcleo sólido de radio conlleva un gasto energético igual a


r


La curva de energía presenta un máximo en un radio r* , como se muestra en la figura 8. Los núcleos que posean un radio mayor a r* podrán crecer, ya que por sobre r* la curva G es decreciente con r ; por el contrario, los núcleos de radio menor que r*, tenderán a desaparecer, pues entre 0 y r* la curva G es creciente con r. Por esta razón, los núcleos de radio menor a r* son llamado embriones.

Nucleación HeterogéneaLa nucleación heterogénea consiste en la formación de núcleos en zonas donde ya existe superficie sólida, por ejemplo, en paredes de molde o en el borde de partículas sólidas introducidas en el metal fundido. La preexistencia de una superficie sólida ayuda a la nucleación, puesto que ofrece una cantidad de superficie que permite que el gasto energético de solidificación sea menor. Un esquema de nucleación heterogénea a partir de una impureza se ilustra en la figura 9.


SOLIDIFICACIÓN DE METALES PUROS Y EUTECTICOS

Aleaciones eutécticas. Las aleaciones eutécticas constituyen una excepción del proceso general de solidificación de las aleaciones. Una aleación eutéctica tiene una composición particular en la cual las temperaturas sólidus y líquidus son iguales. En consecuencia, la solidificación ocurre a una temperatura constante, y no en un rango de temperaturas como se describió para un metal puro, el hierro fundido (4.3%C) son ejemplos de aleaciones eutécticas que se usan en fundición.

Solidificación de eutécticos La solidificación, en enfriamiento lento, sigue las reglas de los diagramas de fases ya conocidas, que son: * Completa miscibilidad en estado líquido y miscibilidad parcial en estado sólido. * Las líneas liquidus y solidus tiene un coeficiente de partición menor a la unidad. Las dos líneas liquidus se juntan en el punto eutéctico E, a través de este punto se dibuja una isoterma que conecta las soluciones sólidas terminales.


Cuando una aleación de composición eutéctica E comienza a solidificar hay tres fases presentes: una fase líquida, L, y dos soluciones sólidas, y . La solidificación del líquido eutéctico comienza con la deposición simultánea de las soluciones sólidas y , de composición C y D respectivamente, la temperatura permanece invariante hasta que todo el líquido haya solidificado, lo que se explica mediante la regla de las fases de Gibbs. Bajo la línea eutéctica se encontrarán dos fases sólidas, y , teniéndose nuevamente un grado de libertad lo que permite que la temperatura continúe disminuyendo. En cambio, una aleación de composición F comienza a solidificar a T0. Las

dendritas de aumentan desde T0 hasta TE. A una temperatura levemente

superior a TE hay:

Dendritas de : de composición C, con %( ) = (EF / CE) x 100 Líquido: de composición eutéctica, con %(liq) = (CF / CE) x 100


Los compuestos formados en la zona delimitada por las líneas liquidus y la isoterma del eutéctico y las líneas solidus se conocen como compuestos proeutécticos.


Al enfriar por debajo de TE, todo el

líquido solidifica como eutéctico, las fases y solidifican estrechamente ligadas entre sí. Esto ocurre en diversas formas que se muestran en la Figura 12.


El diagrama temperatura-tiempo para el enfriamiento de una aleación de composición C a partir del líquido se muestra en la Figura 13.

A la temperatura eutéctica TE, la reacción es isotérmica porque de acuerdo a la

regla de las fases de Gibbs la transformación tiene 0 grados de libertad a presión constante: L = 2 + 1 - 3 = 0 (p = cte.)Entre T0 y TE la formación de fase sólida retarda el enfriamiento por la entrega de

calor latente que se produce con el paso de líquido a sólido.


Las Figuras 14, 15, 16, 17 y 18 muestran diagramas de fases y microestructuras: hipoeutécticas, hipereutécticas y eutécticas de diversos sistemas de aleaciones.


De las figuras anteriores se puede concluir que hay diversos tipos de eutécticos: laminar, de barras, globular y acicular. La forma del eutéctico dependerá en gran medida de la energía de superficie, , entre la fase a y la b : * Si es independiente de la orientación de la interfase, el eutéctico tiende a ser de barras. * Si depende de la orientación de la superficie respecto de las direcciones cristalográficas de ambas fases, entonces el eutéctico es laminar. * El eutéctico globular minimiza el creado, (mayor volumen de fase por menor área). * En el eutéctico acicular la matriz crece non-faceted y la fase acicular en forma faceted, ejemplo de esto es la aleación Al-Si, Figura 19. * Los eutécticos laminar y de barras se forman cuando ambas fases son del tipo non-faceted, su velocidad de crecimiento es controlada por la difusión del soluto en el líquido, esto ocurre porque al formarse las dos fases sólidas, ( y ), se produce una fuerte redistribución de soluto. El movimiento de este último se produce por difusión en el líquido, delante de la interfase sólido-líquido, como se muestra en la Figura 20. Además es conveniente destacar el hecho que crecen con menor sobreenfriamiento que el globular, el cual requiere múltiples nucleaciones.


Al aumentar la extracción de calor se disminuye el espaciamiento interlaminar (), esto permite incrementar la velocidad de solidificación del líquido eutéctico. Lo anterior se explica porque la difusión controla el avance de la interfase S-L, a una temperatura constante se puede lograr mayor velocidad de solidificación acortando la distancia de difusión y correspondientemente " ". Se ha encontrado en eutécticos solidificados unidireccionalmente que:


El desarrollo de eutécticos sigue las etapas de nucleación y crecimiento. Usualmente nuclea una de las fases, por ejemplo , sobre ésta nuclea la fase y adicionalmente mediante un puente de fase se genera la segunda capa , Figura 21. Lo anterior podría hacer innecesaria la nucleación, ya que el crecimiento del eutéctico se puede llevar a cabo mediante puentes de fases.


El crecimiento de un eutéctico es aproximadamente igual en todas direcciones formándose así colonias eutécticas más o menos esféricas como se puede apreciar en la Figura 22.

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