1. separata n_ 11 principiod de solidificación ii

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UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ FAUSTINO SÁNCHEZ CARRIÓN. FACULTAD INGENIERÍA QUÍMICA Y METALURGIAE.A.P. INGENIERÍA METALÚRGICA

SEPARATA Nº 11 PRINCIPIOS DE SOLIDIFICACIÓN II DE APOYO CURSO DE METALURGIA FÍSICA I FECHA CONTENIDO:

CURVAS DE ENFRIAMIENTOESTRUCTURA DE LA PIEZA COLADADEFECTOS DE SOLIDIFICACIÓNPROCESO DE VACIADO PARA FABRICAR COMPONENTESCOLADA CONTINUA Y VACIADO DE LINGOTESSOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL (DS), CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES Y CRECIMIENTO EPITAXIAL.UNIÓN DE MATERIALES METÁLICOS

DESARROLLO

CURVAS DE ENFRIAMIENTOExaminando la curva como varia la T° de un material (metal puro) con el tiempo fig. 10 y 11. El Liquido es vertido en el molde a T° de vaciado (Punto A). La diferencia entre T° de vaciado y la T° solidificación es el sobrecalentamiento. El líquido se enfría cuando el molde extrae su Calor Específico, hasta que llega a la T° de solidificación (Punto B). Si el líquido no esta bien inoculado debe subenfriarse (punto B a C) La pendiente de la curva de enfriamiento antes de que se inicie la

solidificación es la velocidad de enfriamiento Tt

Cuando comienza la nucleación (punto C), se cede

calor latente de fusión y la T° aumenta. Este aumento de T° del líquido subenfriado como resultado de la nucleación se llama RECALESCENCIA (punto C a D). La solidificación avanza isotérmicamente a la T° de fusión (punto D a E) a medida que el calor latente cedido de la solidificación continua se contrarresta con el calor perdido por enfriamiento. La región entre los puntos D y E, donde la T° es cte. Se llama meseta térmica.

Fig.10. Curva de enfriamiento de un metal que no fue bien inoculado. El líquido se enfría al eliminar su calor específico (entre puntos A y B). Por tanto es necesario el subenfriamiento (entre los puntos B y C). Al comenzar la nucleación (punto C). El calor latente de fusión se desprende, causando un aumento en la temperatura del líquido. A este proceso se le llama recalescencia (del punto C al punto D). El metal continua solidificándose a T° cte. (T fusión = Tsolidificación). En el punto E, la solidificación es completa. La pieza solidificada continúa enfriándose a partir de ese punto.

Fig.11. Curva de enfriamiento para un metal bien inoculado, por lo demás puro. No se necesita subenfriamiento. No se observa la recalescencia, la solidificación empieza en la temperatura de fusión.

Mg. ING°. METALURGISTA CIP N° 144416 NICANOR MANUEL VEGA PEREDA

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Fig. 12 CURVA DE ENFRIAMIENTO PARA UN METAL PURO DURANTE LA FUNDICIÓN.

ESTRUCTURA DE LA PIEZA COLADALos metales fundidos se vierten en moldes y se dejan solidificar, produce una pieza vaciada o colada. en otros procesos producen lingotes. Una estructura llamado estructura de lingote consiste en 3 partesZona de enfriamiento rápido; Banda angosta de granos de orientación aleatoria en la superficie de la pieza. El metal en la pared del molde es el primero que llega a T° de solidificación, la pared del molde proporciona muchas superficies en las cuales tiene lugar la nucleación heterogénea.Zona columnar: Contiene granos alargados orientados en determinada dirección cristalográfica. Al eliminarse el calor de la pieza por el material del molde, los granos en la zona de enfriamiento rápido crecen en dirección contraria al flujo de calor, es decir desde las zonas mas frías hacia las mas clientes de la pieza. Los granos crecen perpendiculares a la pared del molde.fig.13

Desarrollo de la estructura de lingote en una pieza colada, durante la solidificación (a) Comienza la nucleación (b) Se forma en la zona de enfriamiento rápido

(c) El crecimiento preferencial produce la zona columnar (d) Con más nucleación se forma la zona equiáxica

Los granos crecen con más rapidez en ciertas direcciones cristalográficas


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FIG.14. El crecimiento competitivo de los granos en la zona de enfriamiento rápido hace que sólo los granos que tengan orientaciones favorables formen granos columnares.

DEFECTOS DE SOLIDIFICACIÓNMuchos son los defectos, pero la contracción y la porosidad son los más importantes mencionar. Si una pieza vaciada contiene poros (agujeros pequeños), esa pieza puede fallar catastróficamente si se usa en aplicaciones de carga. (Aspas de turbina).Contracción: Casi todos los materiales son más densos en estado sólido que en estado líquido, durante la solidificación, el material se contrae o encoge hasta un 7% según tabla:

TABLA: CONTRACCIÓN DURANTE LA SOLIDIFICACIÓN DE ALGUNOS MATERIALESMaterial Concentración (%)

Al 7.0Cu 5.1Mg 4.0Zn 3.7Fe 3.4Pb 2.7Ga +3.2 (dilatación)H2O +8.3 (dilatación)

Acero al bajo carbono 2.5 – 3.0Acero al alto carbono 4.0

Fundición blanca 4.0 – 5-5Fundición gris + 1.9 (dilatación)

Las contracciones producen cavidades cuando la solidificación comienza en toda la superficie de la pieza. Rechupes. Si una superficie se solidifica con más lentitud que las demás fig.

Fig. 15. Pueden presentarse varias clases de macrocontracciones, que incluyen cavidades y rechupes, Para ayudar a compensar la contracción se pueden usar mazarotas.

Contracción interdendrítica: Son pequeños poros de contracción entre dendritas fig. 15. Llamado también microporosidad es difícil evitar usando mazarotas. Se puede reducir este problema aplicando altas velocidades de enfriamiento


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Fig. 16. (a) Puede haber contracción entre los brazos dendríticos (b) con pequeñas distancias entre brazos dendríticos secundarios, se obtiene una porosidad menor y distribuida con más uniformidad (c) Unos brazos dendríticos cortos pueden ayudar evitar la contracción (d) Se muestra la contracción interdendrítica en una aleación de aluminio (80x).

SOPLADURAS O POROSIDAD DE GAS. Los metales disuelven cantidad gas cuando están fundidos Ej. El Al disuelve H2, pero al solidificar el metal sólido sólo retiene una fracción pequeña del H2 en su estructura cristalina, por que la solubilidad es apreciablemente menor fig. 16 El exceso de H2 que no puede incorporarse en la estructura cristalina del metal o la aleación sólida forma burbujas que pueden quedar atrapadas en el metal sólido, Produciendo POROSIDADES DE GAS O SOPLADURAS. La cantidad de gas que puede disolver en el metal fundido se determina según:LEY DE SIEVERT % de gas=K √Pgas Donde: Pgas = Presión parcial del gas. En contacto con el metal.

K = Cte. Para determinado sistema de metal y gas, aumenta al aumentar la T°.Se minimizan sopladuras en las piezas coladas manteniendo baja la T° del Líquido o agregando al líquido materiales que se combinen con el gas y formen un sólido o asegurando que la presión parcial del gas se mantenga baja. Ejm. El H2 del Al se puede eliminar con Cl ó N2.

Fig. 17. Solubilidad del H2 gaseoso en el aluminio, cuando la presión parcial de H2 = 1 atm.

En la producción de acero inoxidable, se usa proceso llamado Descarburación con Argón y O 2 para bajar el contenido de C, sin oxidar al Cr o al Ni. Se hace pasar mezcla de Ar o N2 y O2 gaseoso en el acero inoxidable Fundido. El C disuelto en ese acero se oxida con el O2 formando CO gaseoso. El CO es arrastrado por las burbujas inertes de Argón ó de N2.PROCESO DE VACIADO PARA FABRICAR COMPONENTESHay seis tipos de procesos de colada: fundición en arena, fundición en molde permanente, fundición en matriz, fundición por centrifugado, fundición por revestimiento (cera perdida), fundición por casquete (o vaina).


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Procesos comerciales de vaciado, Algunos pueden usar el mismo molde, en otros es desechable.fig.18. Procesos de vaciado en arena incluyen moldeo en arena verde: granos de arena de sílice (SiO2) aglomerados con arcilla húmeda. Procesos de vaciado en cerámica se usa material cerámico de grano fino para el molde.

Fig.18. Cuatro procesos normales de vaciado:(a) y (b) moldeo con arena en verde, en donde se comprime arena aglomerada con arcilla en torno a un modelo, Con los corazones de arena se pueden obtener

cavidades internas en la pieza (C) Procesos de moldeo permanente, en el que se vacía el metal en un molde hierro o acero (D) Colado a presión, en el cual metal se inyecta a alta presión en una matiz de

acero. (e) Vaciado al modelo perdido, en el que se rodea con cerámica a un modelo de cera, después de que se funde y vacía la cera, el metal se vierte en el molde.

COLADA CONTINUA Y VACIADO DE LINGOTESEl vaciado es un medio que se usa en la fabricación de componentes. Producción de Lingotes que se siguen procesando para obtener diferentes formas (Barras, varillas alambres etc.) La industria del acero produce millones de acero a partir del arrabio de A.H. y hornos electicos fig. 19. Muestra de pasos en la producción de acero. A partir de minerales de hierro, cobre y zinc se obtienen con procesos parecidos


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Fig. 19 Resumen de etapas de producción de aceros a partir de minerales de hierro, coque y caliza.

LINGOTERAS: son recipientes de fundición dentro de las cuales se vuelca el acero líquido con el objeto de producir su solidificación bajo una forma determinada. Las lingoteras pueden ser cerradas o abiertas. En el primer caso es necesario preparar un fondo especial o común, y en el segundo caso, como uno de los extremos debe hacer de fondo, debe ser de menor dimensión, las cuales llevan en su fondo un agujero con tapón extraíble para facilitar el sacado del lingote sólido. Este tipo de moldes por lo general viene provisto de un colador refractario removible o “mazarota caliente” que se coloca en la parte superior del molde. La función de este collar refractario es la de hacer mas lento el enfriamiento en la parte superior del lingote, suministrando así una reserva de metal fundido que pueda alimentar al cuerpo principal del lingote al solidificarse éste y en consecuencia contraerse. La mazarota caliente, reduce así al mínimo al rechupe.

LINGOTERAS DE HIERRO FUNDIDO PARA LA COLADA DE ACERO


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El acero después de la colada se deja reposar durante un tiempo determinado en la lingotera para que termine de solidificar y después se "desmoldean",A.) La colada del acero en lingotera: (recipientes de paredes gruesas construidos normalmente con fundición).Las lingoteras se colocan sobre unas placas de hierro fundido que tienen una serie de canales o ramificaciones, en donde se colocan los conductores de ladrillo refractario y el bebedero o "REINA".A los lingotes de aceros especiales siempre se les pone en la parte de la cabeza lo denominado mazarota, que consiste en una pieza de cerámica revestida interiormente de un material exotérmico y a la que ese adiciona en el momento de la llegada del acero al final del llenado, nuevamente material exotérmico, con el fin de aumentar la temperatura en esa zona y ser la parte de enfriamiento lento del lingote, de manera que se concentre en esa zona el fenómeno de contracción del paso líquido a sólido (rechupe). También en esta zona es donde más concentración existe de segregación principal y donde quedan decantadas las inclusiones no metálicas más gruesas, que por ser de menor densidad que el acero flota en las zonas líquidas que solidifican últimamente.Durante la colada se debe proteger el chorro de acero entre la cuchara y el bebedero para evitar oxidaciones del chorro y por tanto disminución de las inclusiones óxidas.Durante la ascensión del caldo, para impedir el contacto de la superficie del acero con el aire, se adicionan productos llamados "pielizantes", que también cumplen la labor de lubricar el contacto caldo-lingotera; formando una nueva película, que posteriormente mejora la superficie de la piel de los lingotes, favoreciendo las transformaciones posteriores. El acero después de la colada se deja reposar durante un tiempo determinado en la lingotera para que termine de solidificar y después se "desmoldean", procurando siempre que la temperatura sea superior a los 800º C, trasladándolos a continuación a los hornos de calentamiento para transformación por laminación o forja.En el vaciado de lingotes, los aceros o aleaciones fundidas que se obtienen en un horno en moldes grandes. Las piezas obtenidas se llaman lingotes se procesan posteriormente para convertirlos en formas útiles mediante procesamiento termomecánico. En el proceso de colada continua, la idea es pasar desde un material metálico fundido hasta alguna forma más útil o semiterminada ejm. Una placa, una palanquilla. fig. 20 Colada continua vertical, la cual se usa para fabricar muchos productos de acero. El metal líquido contenido en la artesa se solidifica parcialmente en un molde.


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Fig. 21 Pasos de procesamiento secundario en la fabricación de acero y aleaciones.SOLIDIFICACIÓN DIRECCIONAL (DS), CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES Y CRECIMIENTO EPITAXIAL.Existen aplicaciones que no es deseable una estructura granular pequeña y equiáxica o equidimensional. Ejm. Piezas para álabes y deflectores de los motores de turbina. fig. 22. Son piezas


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que se fabrican con superaleaciones a base de Ti, Co ó Ni. Se obtiene mejor resistencia a la termofluencia y a la fractura con la técnica de crecimiento por SOLIDFICACIÓN DIRECCIONAL en este proceso el molde se calienta en un extremo y se enfría en el otro, para producir una microestructura columnar, con todos los límites de grano en la dirección longitudinal de la parte. No hay límites de grano en la dirección transversal. Fig. b.Mejores propiedades se obtiene con la técnica de monocristal. La solidificación de los granos columnares se inicia de nuevo en una superficie fría, sin embargo, debido a la conexión helicoidal, sólo pueden puede crecer un solo grano hacia el cuerpo principal de la pieza. Fig. 22 c La pieza monocristalina no tienen límites de grano, por lo que sus planos y direcciones cristalográficos pueden producirse con una orientación óptima.

Fig.22. Control de la estructura granular en los álabes de turbina (a) granos convencionales equiáxicos, (b) Granos columnares solidificados direccionalmente y (c) monocristal.

UNIÓN DE MATERIALES METÁLICOSLatonado o soldadura fuerte, se usa un metal de relleno, o de aporte para unir un metal consigo mismo o con otro distinto.El metal de aporte en el latonado tiene T° fusión mayor a 450°C.En el estañado el metal de aporte tiene T° fusión menor a 450°C.Se usan aleaciones Pb-Sn y Sb – Sn. Actualmente hay la necesidad de desarrollar materiales de estañado sin Plomo. (Por la toxicidad del Pb).Entre las aleaciones que se están desarrollando están las basadas en Sn-Cu-Ag.En el latonado y el estañado, los materiales metálicos que se unen no se funden, Sólo el material de aporte es el que se funde.Tanto en el Latonado como estañado la composición del material de aporte es distinta a la del metal que se está pegando.En el latonado se usan diversas aleaciones de Al-Si, Cu, Mg, y metales preciosos.La solidificación también es importante en la unión de metales con soldadura de fusión, en estos procesos se funde una parte de los metales que se van a unir y, en muchos casos se agrega metal adicional de aporte también fundido. A la región de metal líquido se le llama Zona de Fusión. Fig. 22 y 23 después que solidifica la zona de fusión las piezas originales de metal quedan unidas entre sí. Durante la solidificación de la zona de fusión, no se requiere nucleación. El sólido comienza a crecer a partir de los granos existentes, frecuentemente en forma columnar, el crecimiento de los granos de


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sólido en la zona de fusión, a partir de los granos preexistentes, es epitáxico.(crecimiento de un material por epitaxia epitaxis)

Fig. 22: Esquema de la zona de fusión y de solidificación de una soldadura de fusión: a) Unión con preparación inicial, b) Soldadura a la T° máxima, con la unión llena de metal de aporte y c)

Soldadura después de la solidificación.

Fig.23: Esquema que muestra la interacción entre la fuente de calor y el metal de base. Se observan tres zonas distintas en la soldadura: Zona de fusión, Zona afectada por el calor y el

metal base.

La estructura y las propiedades de la zona de fusión dependen de las mismas variables que en el vaciado de metales. La adición de agentes inoculantes a la zona de fusión reduce el tamaño de grano.Las grandes velocidades de enfriamiento o los tiempos cortos de solidificación generan una microestructura más fina y mejores propiedades. Entre los factores que aumenta la velocidad de enfriamiento, se encuentra el mayor grosor del metal, las zonas de fusión más pequeñas, las T° bajas del metal y ciertas clases de procesos de soldadura.


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Ejm. Soldadura con Oxiacetileno usa una fuente de calor intensidad relativamente baja, por tanto los tiempos de soldadura son largos y el metal sólido adyacente que se calienta mucho, n o es un radiador eficiente. Los procesos de soldadura con arco proporcionan una fuente de calor mas intenso, lo cual reduce el calentamiento del metal vecino y permite el enfriamiento más rápido. Las soldaduras con laser y haz de electrones tienen unas fuentes de calor de intensidad excepcional y produce unas velocidades de enfriamiento muy grandes; las uniones son potencialmente muy resistentes. Se ha desarrollado el proceso de agitación con fricción para aleaciones de Al y Al-Li para aplicaciones aeroespaciales.La epitaxia o crecimiento epitaxial es uno de los procesos en la fabricación de circuitos integrados.A partir de una cara de un cristal de material semiconductor, o substrato, se hace crecer una capa uniforme y de poco espesor con la misma estructura cristalina que este. Mediante esta técnica se puede controlar de forma muy precisa el nivel de impurezas en el semiconductor, que son los que definen su carácter (N o P). Para hacer esto se calienta el semiconductor hasta casi su punto de fusión y se pone en contacto con el material de base para que, al enfriarse, recristalice con la estructura adecuada. Hay varios métodos: Crecimiento epitaxial en fase vapor (VPE). Crecimiento epitaxial en fase líquida (LPE). Crecimiento epitaxial por haces moleculares (MBE). Química metalorgánica por deposición a vapor (MOCVD) La epitaxis es la asociación de dos minerales de diferentes especies, entre los cuales existe una compatibilidad estructural, en virtud de la cual los cristales de ambos cuerpos se desarrollan, uno sobre el otro, en determinadas direcciones. Existe epitaxis entre el rutilo y por otra parte, la mica o la hematita; entre éstas últimas; entre la hematita y la calcita; entre la albita y la ortosa, etc. En los experimentos para provocar lluvia artificialmente se aprovecha la epitaxis entre los cristales de yoduro de plata (que sirven de núcleo de condensación) y los de hielos presentes en la atmósfera.


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