SOLIDIFICACIN Y ENFRIAMIENTO

Despus de vaciar el metal fundido en el molde, ste se enfra y solidifica. En esta seccin examinaremos los mecanismos fsicos de solidificacin que ocurren durante la fundicin. Los aspectos asociados con la solidificacin incluyen el tiempo de enfriamiento del metal, la contraccin, la solidificacin direccional y el diseo de las mazarotas.

Solidificacin de los metales

La solidificacin involucra el regreso del metal fundido al estado slido. El proceso de solidificacin difiere, dependiendo de si el metal es un elemento puro o una aleacin.

Metales puros. Un metal puro solidifica a una temperatura constante que constituye su punto de congelacin o punto de fusin. Los puntos de fusin de los metales puros son bien conocidos. El proceso ocurre en un tiempo determinado como se muestra en la figura, conocida como curva de enfriamiento.La solidificacin real toma un tiempo llamado, tiempo local de solidificacin, durante el cual el calor latente de fusin del metal escapa fuera del molde. El tiempo total de solidificacin va desde el momento de vaciar el metal hasta su completa solidificacin. Despus que la fundicin se ha solidificado completamente, el enfriamiento contina a una velocidad indicada por la pendiente hacia debajo de la curva de enfriamiento.Debido a la accin refrigerante de la pared del molde, se forma una delgada pelcula inicial de metal slido en la pared inmediatamente despus del vaciado. El espesor de esta pelcula aumenta para formar una costra alrededor del metal fundido que va creciendo hacia el centro de la cavidad conforme progresa la solidificacin. La velocidad del enfriamiento depende del calor que se transfiere en el molde y de las propiedades trmicas del metal.

FIGURA: Curva de enfriamiento para un metal puro durante la fundicin.Es interesante examinar la formacin del grano metlico y su crecimiento durante este proceso de solidificacin. El metal que forma la pelcula inicial se ha enfriado rpidamente por la extraccin de calor a travs de la pared del molde. Esta accin de enfriamiento causa que los granos de la pelcula sean finos, equiaxiales y orientados aleatoriamente. Al continuar el enfriamiento se forman ms granos y el crecimiento ocurre en direcciones alejadas de la transferencia de calor. Como el calor se transfiere a travs de la costra y la pared del molde, los granos crecen hacia adentro como agujas o espinas de metal slido. Al agrandarse estas espinas se forman ramas laterales que siguen creciendo y forman ramas adicionales en ngulos rectos con las primeras. Este tipo de crecimiento llamado crecimiento dendrtico del grano, ocurre no solamente en la solidificacin de los metales puros, sino tambin en la de las aleaciones. Estas estructuras tipo rbol se llevan a cabo en forma gradual durante el enfriamiento, al depositarse continuamente metal adicional en las dendritas hasta completar la solidificacin. Los granos resultantes de este crecimiento dendrtico adoptan una orientacin preferente y tienden a ser burdos y alinearse en forma de granos columnares hacia el centro de la fundicin. La estructura granulada resultante se ilustra en la figura1.:

FIGURA 1.- Estructura cristalina caracterstica del un metal puro, mostrando los granos, pequeos orientados aleatoriamente cerca de las paredes del molde, y los granos columnares grandes orientados hacia el centro de la fundicin

FIGURA (a) Diagrama de fase para un sistema, de aleacin cobre-nquel y (b) curva de enfriamiento asociada para una composicin Ni-Cu 50-50% durante la fundicin.

Aleaciones en general. Las aleaciones solidifican generalmente en un intervalo de temperaturas en lugar de una temperatura nica. El rango exacto depende de la aleacin y su composicin particular.Se puede explicar la solidificacin de una aleacin con referencia a la figura anterior, que muestra el diagrama de fase de una aleacin en particular y a la curva de enfriamiento para una composicin dada. Conforme desciende la temperatura, empieza la solidificacin en la temperatura que indica la lnea liquidus y se completa cuando se alcanza la solidus. El inicio de la solidificacin es similar a la del metal puro. Se forma una delgada pelcula en la pared del molde debido a un alto gradiente de temperatura en esta superficie. La solidificacin contina como para un metal puro, mediante la formacin de dendritas alejadas de las paredes. Sin embargo, debido a la propagacin de la temperatura entre liquidus y solidus, el crecimiento de las dendritas es tal que se forma una zona avanzada donde el metal slido y el lquido coexisten. La porcin slida est constituida por estructuras dendrticas que se han formado lo suficiente y han atrapado en la matriz pequeas islas de lquido. La regin slido-lquido tiene una consistencia suave que da lugar a su nombre de zona blanda. Dependiendo de las condiciones del enfriamiento, la zona blanda puede ser relativamente angosta o puede ocupar la mayor parte de la fundicin. Los factores que promueven la ltima condicin son una lenta transferencia de calor fuera del metal caliente y una amplia diferencia entre liquidus y solidus. Las islas de lquido en la matriz de dendrita se solidifican gradualmente al bajar la temperatura de la fundicin hasta la temperatura solidus que corresponde a la composicin de la aleacin.Otro factor que complica la solidificacin de las aleaciones es la composicin de las dendritas que al iniciar su formacin son favorecidas por el metal que tiene el punto de fusin mayor Al continuar la solidificacin las dendritas crecen y se genera un desbalance entre la composicin del metal solidificado y el metal fundido remanente. Este desbalance de composicin se manifiesta finalmente como segregacin de elementos en las fundiciones terminadas. La segregacin es de dos tipos, microscpica y macroscpica. A nivel microscpico, la composicin qumica vara a travs de cada grano individual. Esto se debe a que la espina inicial de cada dendrita tiene una proporcin ms alta de uno de los elementos de la aleacin. La dendrita crece a expensas del lquido remanente que ha sido parcialmente agotado de este primer elemento. Finalmente, el ltimo metal que solidifica en cada grano es el que qued atrapado en las ramas de las dendritas, cuya composicin es an ms desbalanceada. El resultado es una variacin en composicin qumica dentro de cada grano de la fundicin.

FIGURA 2.- Estructura cristalina caracterstica de fundicin para una aleacin, mostrando la segregacin de los componentes en el centro de la fundicin.

A nivel macroscpico, la composicin qumica vara a travs de la fundicin. Como las regiones de la fundicin que se solidifica primero (generalmente cerca de las paredes del molde) son ms ricas en un componente que en otro, la composicin de la aleacin fundida remanente queda modificada cuando ocurre la solidificacin en el interior. Se genera entonces, una segregacin general a travs de la seccin transversal de la fundicin, llamada algunas veces segregacin de lingote como se muestra en la figura 2.

Aleaciones eutcticas. Las aleaciones eutcticas constituyen una excepcin del proceso general de solidificacin de las aleaciones. Una aleacin eutctica tiene una composicin particular en la cual las temperaturas slidus y lquidus son iguales. En consecuencia, la solidificacin ocurre a una temperatura constante, y no en un rango de temperaturas como se describi para un metal puro, el hierro fundido (4.3%C) son ejemplos de aleaciones eutcticas que se usan en fundicin.

Tiempo de solidificacin

Si la fundicin es metal puro o aleacin, de todos modos, su solidificacin toma tiempo. El tiempo total de solidificacin es el tiempo necesario para que la fundicin solidifique despus del vaciado. Este tiempo depende del tamao y de la forma de la fundicin expresada por una relacin emprica conocida como regla de Chvorinov que establece

TST = Cm ( V/A)n Dnde:TST Tiempo de solidificacin total, min;V Volumen de fundicin, (m3);A rea superficial de la fundicin, (m2);n Exponente que toma usualmente un valor de 2;Cm Es la constante del molde.

Dado que n = 2, las unidades de Cm son (min/m2), su valor depende de las condiciones particulares de la operacin de fundicin, entre las cuales se incluyen el material del molde (calor especfico y conductividad trmica), propiedades trmicas del metal de fundicin (calor de fusin, calor especfico y conductividad trmica), y la temperatura relativa de vaciado con respecto al punto de fusin del metal. El valor de Cm para una operacin dada se puede basar en datos experimentales de operaciones previas con el mismo material de molde, metal y temperatura de vaciado, incluso cuando la forma de la parte haya sido bastante diferente.La regla de Chvorinov indica que una fundicin con una relacin de volumen a rea superficial se enfriar y solidificar ms lentamente que otra con una relacin ms baja. Este principio ayuda en el diseo de la mazarota del molde. Para cumplir su funcin de alimentar metal fundido a la cavidad principal, el metal en la mazarota debe permanecer en fase lquida ms tiempo que el de la fundicin. En otras palabras, la TST para la mazarota debe exceder la TST de la fundicin principal. Como la condicin del molde para la mazarota y la fundicin es la misma, las constantes del molde sern iguales.Si el diseo de la mazarota incluye una relacin de volumen a rea ms grande, podemos estar ms o menos seguros de que la fundicin principal solidificar primero y se reducirn los efectos de la contraccin. Antes de considerar el diseo de la mazarota mediante la regla de Chvorinov tomemos en cuenta el tema de la contraccin, razn por la cual se necesitan las mazarotas.

Contraccin

Nuestro anlisis de la solidificacin ha omitido el impacto de la contraccin que ocurre durante el enfriamiento y la solidificacin. La contraccin ocurre en tres pasos: 1) contraccin lquida durante el enfriamiento anterior a la solidificacin; 2) contraccin durante el cambio de fase de lquido a slido, llamada contraccin de solidificacin, y 3) contraccin trmica de la fundicin solidificada durante el enfriamiento hasta la temperatura ambiente. Los tres pasos pueden explicarse con referencia a una fundicin cilndrica hipottica hecha en un molde abierto, como se muestra en la figura siguiente:.El metal fundido inmediatamente despus de vaciado se muestra en la parte (0) de la serie. La contraccin del metal lquido durante el enfriamiento, desde la temperatura de vaciado hasta la temperatura de solidificacin, causa que la altura del lquido se reduzca desde el nivel inicial como en (1) de la Fig. La cantidad de esta concentracin lquida es generalmente alrededor del 0.5%. La contraccin de solidificacin que se observa en la parte (2) tiene dos efectos. Primero, la contraccin causa una reduccin posterior en la altura de la fundicin. Segundo, la cantidad de metal lquido disponible para alimentar la porcin superior del centro de la fundicin se restringe. sta es usualmente la ltima regin en solidificar; la ausencia de metal crea un vaco en este lugar de la fundicin. Esta cavidad de encogimiento es llamada por los fundidores rechupe. Una vez solidificada, la fundicin experimenta una contraccin posterior en altura y dimetro mientras se enfra como en (3). Esta contraccin se determina por el coeficiente de expansin trmica del metal slido, que en este caso se aplica a la inversa para determinar la contraccin.

FIGURA Contraccin de una fundicin cilndrica durante la solidificacin y enfriamiento: (0) niveles iniciales del metal fundido inmediatamente despus del vaciado; (1) reduccin del nivel causada por la contraccin del lquido durante el enfriamiento; (2) reduccin de la altura y formacin de la bolsa de contraccin causada por la contraccin por solidificacin; y (3) reduccin posterior de la altura y dimetro debida a la contraccin trmica durante el enfriado del metal slido. Las reducciones estn exageradas para mayor claridad.

Solidificacin direccional

Para minimizar los efectos dainos de la contraccin es conveniente que las regiones de la fundicin ms distantes de la fuente de metal lquido se solidifiquen primero y que la solidificacin progrese de estas regiones hacia la mazarota. En esta forma, el metal fundido continuar disponible en las mazarotas para prevenir los vacos de contraccin durante la solidificacin. Se usa el trmino - solidificacin direccional para describir este aspecto del proceso de solidificacin y sus mtodos de control La solidificacin direccional deseada se logra aplicando la regla de Chvorinov al diseo de la fundicin, a su orientacin dentro del molde y al diseo del sistema de mazarotas. Por ejemplo, al localizar las secciones de la fundicin con menores relaciones V/A lejos de las mazarotas la solidificacin aparecer primero en estas regiones y el suministro de metal lquido para el resto de la fundicin permanecer abierto hasta que solidifiquen las secciones ms voluminosas.Otra forma de fomentar la solidificacin direccional es usar enfriadores sumideros de calor internos o externos que causan un, enfriamiento rpido en ciertas regiones de la fundicin, Los enfriadores internos son pequeas partes de metal colocadas dentro de la cavidad antes del vaciado, cuyo objetivo es que el metal fundido solidifiqu primero alrededor de estas partes. El refrigerante interno debe tener una composicin qumica igual a la del metal que se vaca. Esto se logra fabricando el enfriador del mismo metal que la fundicin.

FIGURA (a) Enfriadores externos para alentar la solidificacin rpida del metal fundido en una zona delgada de la fundicin y (b) resultado probable si no se usan los enfriadores.

Los enfriadores externos son insertos metlicos en las paredes de la cavidad del molde que remueven el calor del metal fundido ms rpidamente que la arena circundante, a fin de promover solidificacin. Se usan a menudo en secciones de la fundicin que son difciles de alimentar con metal lquido, el cual encuentra as un enfriamiento rpido que lo hace solidificar en estas secciones mientras la conexin con el metal lquido est todava abierta. La figura ilustra una posible aplicacin de refrigerantes externos y el resultado probable si no se usaran.

Diseo de la mazarota

Tal como se describi antes, una mazarota figura (b) anterior, se usa en un molde de fundicin para alimentar metal lquido al proceso durante el enfriamiento y compensar as la contraccin por solidificacin. La mazarota debe permanecer lquido hasta despus de que la fundicin solidifique. Para satisfacer este requerimiento se puede calcular el tamao de la mazarota usando la regla de Chvorinov.