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 1., conocida como curva de enfriamiento. La solidificación real toma un
tiempo llamado, tiempo local de solidificación, durante el cual el calor latente
de fusión del metal escapa fuera del molde. El tiempo total de
solidificación va desde el momento de vaciar el metal hasta su
completa solidificación. Después que la fundición se ha solidificado completamente,
el enfriamiento continúa a una velocidad indicada por la pendiente hacia debajo
de la curva de enfriamiento. Debido a la acción refrigerante de la pared del
molde, se forma una delgada película inicial de metal sólido en la pared
inmediatamente después del vaciado. El espesor de esta película aumenta
para formar una costra alrededor del metal fundido que va creciendo hacia el
centro de la cavidad conforme progresa la solidificación. La velocidad del
enfriamiento depende del calor que se transfiere en el molde y de las
propiedades térmicas del metal
figura 1
fuente de figura: https://www.academia.edu/12380656/SOLIDIFICACI%C3%93N_Y_ENFRIAMIENTO
Aleaciones eutécticas.
Las aleaciones eutécticas constituyen una excepción del proceso generalde 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.
Aleaciones en general.
Las aleaciones
solidifican generalmente en un intervalo de temperaturas en lugar de una
temperatura única. El rango exacto depende de la aleación y su
composición particular. Se puede explicar la solidificación de una aleación con
referencia a la figura 2, que muestra el diagrama de fase de una aleación en
particular y a la curva de enfriamiento para una composición dada.
Conforme desciende la temperatura, empieza la solidificación en la temperatura
que indica la línea liquidus y se completa cuando se alcanza la solidus. El
inicio de la solidificación es similar a la del metal puro. Se forma una
delgada película en la pared del molde debido a un alto gradiente de
temperatura en esta superficie. La solidificación continúa como para un metal
puro, mediante la formación de dendritas alejadas de las paredes. Sin embargo,
debido a la propagación de la temperatura entre liquidus y solidus, el
crecimiento de las dendritas es tal que se forma una zona avanzada donde el
metal sólido y el líquido coexisten. La porción sólida está constituida por
estructuras dendríticas que se han formado lo suficiente y han atrapado en la
matriz pequeñas islas de líquido. La región sólido-líquido 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
fundición. Los factores que promueven la última condición son una lenta
transferencia de calor fuera del metal caliente y una amplia diferencia entre liquidus y
solidus. Las islas de líquido en la matriz de dendrita se solidifican gradualmente
al bajar la temperatura de la fundición hasta la temperatura solidus que
corresponde a la composición de la aleación
figura 2
fuente de figura https://www.academia.edu/12380656/SOLIDIFICACI%C3%93N_Y_ENFRIAMIENTO
fuente de texto: https://www.academia.edu/12380656/SOLIDIFICACI%C3%93N_Y_ENFRIAMIENTO
Los mecanismos de solidificación no son únicos 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 aplicación en la solidificación de no ferrosos, cumpliéndose también en el sentido opuesto. Más aún, se ha encontrado que los fenómenos de solidificación observados en metales, son reproducibles tanto en no-metales, como en mezcla de metales y no-metales; ésto ha traído como consecuencia, que la solidificación de metales haya dejado de ser interés único del ingeniero metalúrgico y se haya extendido a otros campos como es el de los físicos; de igual forma, esos hechos han sido los origenes de los polímeros y de la industria electrónica. En este último aspecto, los conocimientos de solidificación tienen aplicación a través del refinamiento zonal que es la base para la fabricación de semiconductores y de transistores. Por lo tanto, el entendimiento de los mecanismos que rigen a la solidificación metálica es de considerable importancia para el ingeniero metalúrgico, 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.
figura 3
1.- los metales y las sustancias puras, pueden solidificar de manera planar o de manera dendrítica, las cuales han sido señaladas con la letra (a);
2.- las soluciones sólidas, señaladas con la letra (b), cuya solidificación dendrítica puede contener precipitación interdendrítica o puede no contenerla;
3.- las aleaciones que solidifican en dos etapas, señaladas con la letra (c), donde habrá dendritas junto a precipitación interdendrítica que puede ser peritéctica o eutéctica;
4.- las aleaciones de composición peritéctica, señaladas con la letra (d), cuya solidificación pudiera englobarse en la letra (c), pero que debido a que durante el enfriamiento después de la solidificación sufre la transformación peritéctica, se ha realizado su separación
5.- las aleaciones de composición eutéctica, señaladas con la letra (e), cuyo crecimiento puede ser cooperativo o no cooperativo.
naturales de los metales y aleaciones liquidas
Antes de considerar la naturaleza de los materiales en el estado líquido, es necesario definir conceptos de amplio uso. Se define Aleación como una sustancia macroscópicamente homogénea que se compone de dos o más elementos químicos, de manera tal, que en su composición química hay predominio de los átomos metálicos y en donde también hay el predomino del enlace metálico; ésto, trae como consecuencia, que posea propiedades metálicas. El elemento presente en mayores proporciones se le llama metal base o solvente, y a los demás elementos se les denomina solutos; cuando a una aleación de manera intencional se le añade solutos metálicos o no-metálicos con objetivos específicos, a estos elementos se les llama aleantes. La presencia de elementos aleantes, a menudo produce cambios drásticos en las propiedades físicas, químicas y mecánicas del metal base; en consecuencia, el tipo y la cantidad de cambio producido en las propiedades, depende fundamentalmente de su naturaleza y por lo tanto de sí ese aleante es soluble, es insoluble, o forma parte de una nueva fase, con el metal base.
fuente texto: MT-6312, SOLIDIFICACIÓN, Trimestre Sept.-Dic. 2003. Profesor Omar Quintero Sayago.
Solidificación direccional
En el proceso de solidificación direccional, el molde es
calentado de un lado y enfriado por el otro extremo, produciendo una
microestructura columnar con todas las fronteras de grano siguiendo la dirección
longitudinal de la parte, en este caso no se presenta ninguna frontera de grano
en la dirección transversal.Incluso se obtienen propiedades mejores cuando se
usa la técnica de monocristal. La solidificación de columnas de grano nuevamente
empieza en una superficie fría, como sea, debido a la conexión helicoidal, solo
puede crecer una columna de grano en el cuerpo principal del vaciado.
