FACULTAD DE INGENIERA

LABORATORIO 01:

SOLIDIFICACIN DE ALEACIONES

1. Objetivo:

1.1. Conocer y desarrollar tcnicas de preparacin de moldes para procesamiento de aleaciones y/o metales.

1.2. Obtener llaveros metlicos mediante el reciclaje de aluminio.

2. Fundamento Terico:

2.1 Caractersticas generales

Debido a la conexin existente con el producto final, la manufactura de

piezas involucra a la transformacin del estado lquido al estado slido, es decir se

refiere al proceso de solidificacin en donde la naturaleza del estado inicial es de

incuestionable importancia. El proceso de colada es extremadamente complejo

porque involucra interacciones entre flujos de masa, calor, y de fluidos. Para la

metalrgica, es muy importante las teoras desarrolladas que expliquen el estado

lquido en metales y en aleaciones, porque permiten detallar los mecanismos de

fusin, las interacciones qumicas en el estado lquido, y los mecanismos de cristalizacin;

que son eventos que tienen efectos prcticos decisivos sobre las macro y las

microestructuras del slido formado. En consecuencia debe existir gran inters por

parte del ingeniero de materiales en conocer la formacin de la estructura de los

metales a partir del estado lquido, desde el punto de vista de la nucleacin y del

crecimiento, la morfologa de las estructuras vaciadas puede ser

modificada mediante tratamientos en el estado lquido.

2.2 Importancia de la solidificacin

El estudio de la solidificacin metlica es de vital importancia para los ingenieros de

materiales, porque peculiaridades como: composicin qumica, la estructura de los granos,

su distribucin y tamao de las fases resultantes de la solidificacin que notablemente

afectan a los tratamientos trmicos que se les debe aplicar como a las propiedades de

servicio obtenidas en los productos solidificados. En estos aspectos se incluye la soldadura

debido a que casi todas las tcnicas en ella utilizadas involucran al proceso de

solidificacin de las partes soldadas, donde en la mayora de los casos se producen

microestructuras de no-equilibrio. Estas peculiaridades son el resultado de los siguientes

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La microestructura de solidificacin depende de las diferencias en composicin entre el

lquido y el slido a medida que sucede el proceso, donde se considera que hay

equilibrio local en la intercara lquido-slido. En esta interfaz hay difusin de solutos

y/o de solvente que, para el caso de aleaciones se crea un borde de interfase en cuyo

interior se acumula el soluto rechazado. Son fundamentalmente esa acumulacin de

soluto delante de la intercara lquido-slido junto al flujo de calor a travs de ella, los

verdaderos factores controlantes de las proporciones de fases y de la distribucin de

no-equilibrio de ellas durante la solidificacin.

La morfologa que adquiere la intercara lquido-slido durante la solidificacin es el

resultado de la interaccin entre ciertas caractersticas de los diagramas de fase y los

parmetros de enfriamiento, entre ellos encontramos: el intervalo de temperaturas de

solidificacin de las aleaciones bajo consideracin, los coeficientes de difusin de los

elementos soluto en el lquido delante de la intercara lquido-slido, y la velocidad de

enfriamiento.

Adicionalmente, es necesario tener en cuenta que las propiedades de servicio de las

piezas fundidas y de los lingotes, en gran parte, dependen de otros factores adicionales

como: las caractersticas de la carga, las condiciones de fusin en hornos de diferente

construccin.

Todos estos factores permiten la produccin de piezas de calidad facilitando la

mecanizacin y la automatizacin de los procesos de fundicin, incluyendo la produccin

de piezas en las fundiciones automatizadas. En el caso de piezas soldadas, los factores

adicionales son, entre otros: las interacciones metal base-fuentes de produccin de calor, la

variedad en los tipos de metales o de aleaciones a ser soldadas, y las tcnicas de soldadura

utilizadas.

Solidificacin es el proceso mediante el cual un slido crece a expensas de un lquido

con el que est en contacto. Involucra los eventos de nucleacin y crecimiento de una

nueva fase cuya interfaz slido-lquida avanza continuamente, producindose cambios

bruscos en la estructura de esa intercara.

2.3. Tipos principales de aleaciones y sus propiedades.

Los mecanismos de solidificacin no son nicos para las aleaciones y/o metales en

particular. En realidad, tanto los trabajos como las ideas que se han desarrollado para

metales y aleaciones ferrosas, tienen relevante aplicacin en la solidificacin de no

ferrosos, cumplindose tambin en el sentido opuesto. Ms an, se ha encontrado que los

fenmenos de solidificacin observados en metales, son reproducibles tanto en no-metales,

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como en mezcla de metales; esto ha trado como consecuencia, que la solidificacin de

metales haya dejado de ser inters nico del ingeniero metalrgista y se haya extendido a

otros campos como es el de los fsicos; de igual forma, esos hechos han sido los orgenes

de los polmeros y de la industria electrnica. En este ltimo aspecto, los conocimientos de

solidificacin tienen aplicacin a travs del refinamiento zonal que es la base para la

fabricacin de semiconductores y de transistores. Por lo tanto, el entendimiento de los

mecanismos que rigen a la solidificacin metlica es de considerable importancia para el

ingeniero metalrgista, el de materiales y el de cualquier otra especialidad que quiera tener

control de manufactura sobre la estructura y sobre las propiedades de los productos que

fabrica.

Las razones expuestas, permiten considerar que desde el punto de vista

microestructural, para los sistemas de aleaciones convencionales, hay esencialmente dos

tipos bsicos de caractersticas de solidificacin cuyos crecimientos de la intercara lquido-

slido, generadores de las morfologas dendrticas caractersticas de ellas donde se incluye

a las peritcticas y a las morfologas eutcticas; normalmente en cualquier microestructura

se evidencian ambos tipos de crecimiento de la interfaz. Por lo tanto, es importante

entender los fundamentos sobre cmo es posible obtener esas microestructuras y reconocer

los efectos de la composicin qumica y de las velocidades de enfriamiento.

Si tomamos en cuenta el diagrama genrico de equilibrio de fases, mostrado en la

figura 1, el estudio morfolgico microestructural se realiza en base a las siguientes

caractersticas, referidas a esta figura.

Los metales y las sustancias puras, pueden solidificar de manera planar o de

manera dendrtica, las cuales han sido sealadas con la letra (a), las soluciones slidas,

sealadas con la letra (b), cuya solidificacin dendrtica puede contener precipitacin

interdendrtica o puede no contenerla.

Las aleaciones que solidifican en dos etapas, sealadas con la letra (c), donde habr

dendritas junto a precipitacin interdendrtica que puede ser peritctica o eutctica, las

aleaciones de composicin peritctica, sealadas con la letra (d), cuya solidificacin

pudiera englobarse en la letra (c).

Pero que debido a que durante el enfriamiento despus de la solidificacin sufre la

transformacin peritctica, se ha realizado su separacin, y las aleaciones de composicin

eutctica, sealadas con la letra (e), cuyo crecimiento pueden ser cooperativas o no

cooperativas.

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2.4. Naturaleza de las aleacin de Al-Si

Para el caso de las aleaciones de base aluminio, se encuentran los siguientes hechos: en

las aleaciones hipoeutcticas del sistema binario aluminio-silicio, en su distribucin en el

lquido, el silicio se comporta como si sus racimos tuvieran mayor densidad que la matriz;

mientras que las aleaciones hipereutcticas, el gradiente de concentracin de los racimos de

silicio tienen un comportamiento de menor densidad que la matriz. Para explicar estos

hechos, se ha postulado que en las aleaciones hipoeutcticas el silicio est presente en

forma de racimos del compuesto (AlSi) y que en las aleaciones hipereutcticas, los racimos

son de silicio elemental.

En el sistema binario aluminio-silicio, la distribucin del silicio en las aleaciones

hipoeutcticas e hipereutcticas, se puede controlar mediante modificacin; para las

aleaciones hipoeutcticas, es a travs de la inoculacin del lquido con sodio; y para las

hipereutcticas es con fsforo.

Es importante sealar que las teoras desarrolladas que intentan explicar estos dos

fenmenos donde no se han tomado en cuenta la estructura del lquido, son inadecuadas e

inconsistentes; mientras, que las teoras basadas en la dispersin coloidal de racimos de

tomos, han sido las teoras que han tenido mayor aceptacin cientfica.

2.5. Escala de Solidificacin

Uno de los retos cientficos fundamentales en el desarrollo de los modelos de

solidificacin en piezas fundidas de calidad y en la evaluacin de nuevas tecnologas como

la solidificacin direccional de labes de turbina y el vaciado de materiales compuestos de

matriz metlica, yace en el requerimiento de tomar en cuenta e incorporar el fenmeno

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interfacial microscpico al usar los modelos macroscpicos en los procesos de

solidificacin que incluye a la difusin y a la conveccin.

Consideremos las diversas escalas fsicas asociadas a las dendritas en el proceso de

solidificacin de una aleacin que se esquematizan en la figura 2. En esta figura se presenta

la visin magnificada de las regiones del slido, de la zona pastosa, y del lquido, donde

encontramos un nmero infinitamente grande de estructuras microscpicas; todas ellas,

caracterizadas por diferentes escalas, por diferentes fenmenos fsicos, y por diferentes

dinmicas de crecimiento. Estas microscpicas estructuras estn muy estrechamente

acopladas al flujo de calor, a la conveccin en el lquido, y a la redistribucin de las

especies en la escala del sistema. Para ilustrar lo anterior, es til y necesario visualizar el

desarrollo de las zonas estructurales y de los modelos de segregacin en la pieza hipottica

que se muestra en la figura 2.

c d

a b

En la figura 2a, en la escala macroscpica del sistema se muestra la zona pastosa que

es la regin bifsica donde se determinan todas las caractersticas microestructurales del

material que solidifica como son densidad, forma, tamao, distribucin de fases,

precipitados, y poros. En esa zona pastosa, se producen los efectos de: flujo de masas,

cantidad de movimiento, fenmenos de transporte de calor y de elementos soluto,

velocidad de enfriamiento, evolucin de calor latente de transformacin (por

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solidificacin), modelamiento de los granos, macrosegregacin, porosidad, y cambios de

volumen.

En la figura 2b, dentro de la escala de los granos, encontramos aspectos como: cristales

columnares y equiaxiales, transferencia local tanto de calor como de soluto, reacciones

interfaciales.

En la figura 2c, dentro de la escala de la interfaz, existen eventos de inestabilidad de

las intercaras, de capilaridad, de equilibrio local, de subenfriamiento de las puntas

dendrticas, y de movimiento de esas intercaras.

En la figura 2d, en la escala atmica se crean los eventos de nucleacin, de estructura

de la interfaz que puede ser facetada o no facetada, y de cintica del adosamiento atmico a

las intercaras.

En la figura 3 se muestran algunos datos de temperaturas de fusin (meeting point) de

algunos metales y aleaciones existentes.

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3. Medios y Materiales

a. 01 Horno elctrico (T mnima de operacin 500 C)

b. 02 Crisoles cermicos de 20 gramos

c. Equipo de seguridad (guantes de cuero, lentes protectores, tenazas de acero)

d. Caja de moldeo

e. Arena de moldeo

f. Accesorios para moldeo (apisonador, tubo plstico, tablero de madera, malla de cernir)

g. Modelos (madera, plstico).

4. Procedimiento Experimental

Ubica la caja de moldeo en un tablero, dentro de esta coloca el

molde de madera, tal como se muestra en la figura 1.

Agrega arena fina (cernida) sobre el modelo de madera con

ayuda de un cernidor o una malla plstica, tal como se muestra

en la figura 2.

Figura 2. Arena cernida

Una vez cubierto el modelo con la arena tamizada, se proceder a

apisonar (presionar) la arena contra el modelo y la caja de moldeo.

Tal como se muestra en la figura 3.

Figura 3. Forma de apisonar la arena

Terminado el apisonamiento, se procede la llenar la caja de moldeo

con la arena cernida, una vez llena se vuelve a apisonar, estas

operaciones se repiten hasta completar la caja de moldeo, tal como

se muestra en al figura 4

Coloca la segunda tapa de la caja de moldeo, y ubica el canal por

donde fluir el metal lquido, en este caso se logra esto con el tubo

Figura 4. Semicaja terminada

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plstico, este se ubicara cerca del modelo de madera tal como se

aprecia en la figura 5.

Figura 5. Ubicacin completa de la caja de moldeo

Agrega arena cernida y apisona tal como se realizo en la primera

tapa, hasta llenar esta, tal se muestra en la figura 6.

Figura 6. Forma de llenado y apisonado de la segunda tapa de la caja de moldeo

Retira el tubo plstico con mucho cuidado, a fin de evitar la cada de

arena dentro de la cavidad dejada, esto se aprecia en la figura 7.

Figura 7. Retira el tubo plstico

Finalmente retira la tapa superior y con cuidado retira el modelo de

madera, coloca nuevamente la segunda tapa y tu caja de moldeo esta

lista a recibir el metal liquido, un ejemplo de esto se aprecia en la figura

8 y 9.

Figura 8. Forma de retiro del modelo de madera

Figura 9. Caja de moldeo lista par recibir el metal liquido

Ahora ya estas listo para colar el metal, esto se realizara con ayuda del

tutor, luego de colar obtendrs una pieza metlica tal como se muestra en

la figura 10

Figura 10. Polea de aluminio terminada

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5. Cuestionario

5.1 Describe en forma breve y concisa , que tcnicas de preparacin de moldes para colada

de metales, conoce usted

5.2 Detalle los principales defectos de solidificacin en piezas fundidas y explique el

mecanismo para disminuirlos

5.2 Que metales o aleaciones son ms utilizadas para fundicin a nivel industrial.

6. Bibliografa

Gerling, H; Studiendirektor, D; (1999) Moldeo y Conformacin Editorial Revert S.A.

Espaa.

Capello, E; Tecnologa de la Fundicin (1985), Editorial Carlo Signorelli, S.A. Italia.

Deslandes, F; Vandenberche, L; Modelos y Moldes para Fundicin (1996).Editores

Aragn, Espaa.

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