Solidificacion

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DE LA DEFENSA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA
DE 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 solidificación
Si 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)n
Donde:
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 de los metales
La 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 Metales
Durante 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 Solidificación
La 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
Líquido
Líquido
Núcleo
Cristales que
formarán granos
Granos
Líquido
Líquido
Límites de grano
Núcleo
Cristales que
formarán granos
Granos

Solidificación de Metales puros
Los 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 Aleaciones
Las 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.
líquidus
T
líquidus
T
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 Nucleación
Nucleación Homogénea
La 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 Heterogénea
La 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.

EUTECTICOS
Cuando una aleación de composición eutéctica E comienza a solidificar hay
tres fases presentes: una fase líquida, L, y dos soluciones sólidas, α y β . La
solidificación del líquido eutéctico comienza con la deposición simultánea de
las soluciones sólidas α y β, 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, α y β, 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 α aumentan desde T0
hasta TE
. A una temperatura levemente
superior a TE
hay:
Dendritas de α : de composición C, con %(α ) = (EF / CE) x 100
Líquido: de composición eutéctica, con %(liq) = (CF / CE) x 100

EUTECTICOS
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.

EUTECTICOS
Al enfriar por debajo de TE
, todo el
líquido solidifica como eutéctico, las
fases α y β solidifican estrechamente
ligadas entre sí. Esto ocurre en
diversas formas que se muestran en la
Figura 12.

EUTECTICOS
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 α sólida retarda el enfriamiento por la entrega de

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

EUTECTICOS

EUTECTICOS
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, (α y
β), 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.

EUTECTICOS
Al aumentar la extracción de calor se
disminuye el espaciamiento interlaminar
(λ), 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 "λ ".
Se ha encontrado en eutécticos
solidificados unidireccionalmente que:

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

EUTECTICOS
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.

Solidificacion

Más contenido relacionado

La actualidad más candente (20)

Destacado (20)

Similar a Solidificacion (20)

Más de Ronny Malpica (20)

Último (20)

Solidificacion