Conceptos Fundamentales de la Solidificación Metálica

Solidificación

Fase Líquida

Fase con un ordenamiento atómico intermedio entre la fase sólida cristalina y la gaseosa. Presenta una estructura ordenada a muy poca distancia con número de coordinación (NC) similar al del sólido.

Temperatura de Equilibrio

Temperatura en la que se igualan las entalpías libres de las fases sólida y líquida.

Subenfriamiento

Fenómeno observado en enfriamientos industriales.

Curvas de Enfriamiento

Representación de la variación de la temperatura en función del tiempo desde el estado líquido hasta la temperatura ambiente.

Nucleación Homogénea y Heterogénea

Condiciones: Solidificación de un metal al ser enfriado a temperatura inferior a la Temperatura de Equilibrio (Te).

Nucleación Homogénea

Se forma un germen sólido de radio 'r' en el seno del metal líquido. La entalpía del metal disminuye, se crea una intercara sólido-líquido caracterizada por su energía superficial. Para que la solidificación tenga lugar, se requieren dos condiciones:

1. Subenfriamiento
2. Formación de gérmenes

Nucleación Heterogénea

Similar a la anterior, salvo que el radio del núcleo heterogéneo se consigue con un número de átomos muy inferior.

Agentes Nucleantes

Factores que favorecen la nucleación heterogénea:

• Pared del molde
• Partículas oxidadas
• Compuestos de alto punto de fusión presentes de forma sólida en el interior del baño.

Velocidad de Solidificación

Producto de la velocidad de nucleación por la de crecimiento.

• Vn: Número de núcleos formados por unidad de tiempo.
• Vc: Aumento del peso del núcleo por unidad de tiempo.

Fuerza Inductora del Proceso de Solidificación

Diferencia entre las entalpías libres de las fases líquida y sólida. Aumenta al disminuir la temperatura (al aumentar el grado de subenfriamiento).

Difusión

Movilidad atómica al reordenarse en la estructura cristalina. Disminuye con la temperatura.

Tamaño de Grano de las Piezas Moldeadas

Proceso de solidificación de las piezas obtenidas en un molde:

1. Solidificación por el borde al entrar en contacto con las paredes: genera grano fino.
2. Solidificación lenta en presencia de un fuerte gradiente de temperatura: da lugar a una estructura columnar.

Si el tamaño de grano disminuye, aumentan las propiedades mecánicas.

Dos procesos para afinar el tamaño de grano:

• Velocidad de enfriado rápido.
• Adición de agentes nucleantes y agitación del baño durante la solidificación.

Rechupes

Variación de volumen que experimentan los líquidos al solidificar (contracción). Se considera la suma de tres términos:

1. U1: Contracción en estado líquido desde la temperatura de colada.
2. U2: Contracción en el paso de líquido a sólido.
3. U3: Contracción en estado sólido hasta temperatura ambiente.

Si aumenta la temperatura de colada, aumenta el rechupe.

El rechupe origina cavidades en el interior de las piezas moldeadas si el enfriamiento no es uniforme. Se origina en el área que solidifica en último lugar, lo que dependerá de las condiciones de refrigeración de los moldes.

Mazarotas

Piezas que se colocan en la parte superior de los moldes para retener todo el rechupe y obtener piezas sanas.

Colabilidad

Capacidad de colar el líquido a la temperatura más baja compatible con la fluidez para que el metal llene completamente las zonas del molde de más difícil acceso. Esto minimiza U1 del rechupe.

Factores para evitar el rechupe:

• Llenar bien los bebederos.
• Uso de Mazarotas.
• Uso de placas de refrigeración y/o aislantes.

Microrechupe

Rechupe a nivel microscópico (nivel del grano): contracción individual de los granos durante el proceso de solidificación. Se origina una porosidad fina y dispersa.