Simulación matemática del ensayo de fluidez para un aleación Pb-Sn

Modelación y validación experimental del proceso de cambio de fase

1

RESUMEN
En el presente trabajo enmarcado en el proyecto FONDECYT N° 1060141 y
CNRS – CONICYT 2006, se estudió la transferencia de calor con cambio de fase
aplicado a dos problemas experimentales de ingeniería: el proceso de fusión y
solidificación en un horno de Brigman y la prueba de fluidez en una canaleta recta. Elanálisis de ambos procesos fue realizado mediante la formulación numérica de los
elementos finitos FEM (“finite element formulation”), basada en la temperatura para la
descripción del cambio de fase, dada por Cruchaga y Celentano [1, 2]. El horno o
aparato de Brigman permite realizar la solidificación y fusión direccional de materiales.
En particular, se estudió el material poliméricoconocido como succinonitrilo (SCN:
NC(CH2)2CN), ya que permite identificar más fácilmente la posición de la interfaz sólido
– líquido durante el proceso de cambio de fase. Se llevaron a cabo tres casos de
análisis del problema, los cuales corresponden a casos experimentales reportados en la
literatura. El primero llamado “no crecimiento”, el segundo “solidificación” y el tercero
“fusión”. Se analizóla influencia de la convección natural en cada uno de los tres casos
señalados anteriormente. La interfase sólido-líquido fue altamente distorsionada por la
convección natural en la fase líquida, principalmente cuando las camisas presentaron
movimiento. Los resultados numéricos del horno de Brigman fueron comparados con
resultados experimentales reportados en la literatura y con resultadosnuméricos
aplicando otras metodologías, mostrando en general una buena coincidencia entre
ellos. Para el análisis del proceso de cambio de fase en la prueba o ensayo de fluidez
en una canaleta recta, se utilizó una aleación binaria de plomo – estaño Pb-50%wt.Sn
(Pb-50Sn). Esta prueba o ensayo es relevante en las fundiciones, ya que permite
cuantificar la fluidez o la distancia de avance de unmaterial líquido antes de que
solidifique, permitiendo evaluar la capacidad del metal para llenar un molde. La
simulación se realizó en 3D, a una única temperatura de colada e imponiendo la
velocidad de avance de la superficie libre de acuerdo a lo registrado en experimentos
previos. Además, se analizó la sensibilidad del modelo para un conjunto de parámetros
y propiedades de la aleación y delmolde como son: el calor latente de solidificación y
los coeficientes de transferencia de calor por convección h entre metal – molde, metal –
vidrio, aire – molde y aire – vidrio. En general, todos los parámetros analizados no
provocaron un aumento significativo en la fluidez, pero si lo hicieron en su disminución.
Se encontró que el parámetro preponderante en la variación de la fluidez de laaleación
Pb-50Sn fue el coeficiente de convección metal-molde.

Jorge Romero Rojas.

Modelación y validación experimental del proceso de cambio de fase

2

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN.

1.1 Antecedentes generales.
Este trabajo de tesis se relacionó con la modelación del proceso de cambio de
fase (fusión y solidificación), aplicado al análisis de dos ensayos o pruebas
experimentalesutilizando la metodología FEM basada en la temperatura, con su
posterior validación. Los antecedentes principales se presentan a continuación y se
detallarán en los respectivos capítulos de esta tesis.

El primer análisis correspondió al proceso de cambio de fase en un horno de
Brigman, utilizando para ello el material polimérico succinonitrilo (SCN). Este aparato u
horno experimental permitiócontrolar la solidificación o enfriamiento del material dentro
de él, a través del avance o retroceso de sus camisas externas con velocidades
extremadamente bajas (30 µm/s ó 40 µm/s), de manera de obtener un cambio de fase
cercano al equilibrio. La industria aeroespacial, automotriz, óptica y electrónica ha ido
requiriendo con el tiempo que los materiales de sus componentes, tengan cada vez...