solidificacion balance energetico

CONAMET/SAM-SIMPOSIO MATERIA 2002

ESTUDIO TÉRMICO-MICROESTRUCTURAL DE LA SOLIDIFICACIÓN DE
FUNDICIONES GRISES
Rodrigo Bermúdez *, Bernd Schulz* y Diego Celentano **
*

Departamento de Ingeniería Metalúrgica
Departamento de Ingeniería Mecánica
Universidad de Santiago de Chile
Av. Bdo. O’Higgins 3363, Santiago, Chile
e-mail: bschulz@lauca.usach.cl, dcelenta@lauca.usach.cl
**

RESUMENEn este trabajo se realiza un análisis experimental y numérico del proceso de solidificación de fundiciones
grises hipoeutécticas. Para tal fin se llevaron a cabo experimentos en moldes estandarizados de arena para
diferentes composiciones y temperaturas de colada en condiciones industriales de operación. Se midieron
temperaturas durante el proceso y radio de celda eutéctica al final delmismo. El comportamiento térmicomicroestructural que tiene lugar en dichos ensayos ha sido simulado por medio de un modelo que
describe el balance energético del sistema de fundición considerando que los efectos de cambio de fase
líquido-sólido se rigen por la evolución de las fracciones de austenita y eutécticas de grafito y cementita.
Estas dos últimas se definen, a su vez, a través de leyes denucleación y crecimiento de las respectivas
celdas eutécticas. Por último, los resultados de la simulación se validan con mediciones experimentales de
curvas de enfriamiento y radio de celda del eutéctico grafítico finales.
Palabras claves : análisis térmico-microestructural, solidificación, fundición gris

1. INTRODUCCIÓN
En la fabricación de fundiciones es de suma
importancia
conocerdetalladamente
sus
características antes de la colada ya que la
producción de piezas defectuosas generadas por un
manejo inadecuado de la fusión acarrea pérdidas
considerables dada la cantidad de energía utilizada
en tales procesos. Para alcanzar tal objetivo,
existen diferentes pruebas de uso muy difundido
en la actualidad que, a partir de la interpretación de
la curva de enfriamiento delmaterial fundido en un
molde
estandarizado,
permiten
identificar
composición química, índices de propiedades
mecánicas y cantidad de fases presentes en la
fundición. Otro procedimiento alternativo y
complementario de los anteriores consiste en la
simulación numérica de la solidificación a través
de modelos que describan el comportamiento
tér mico del sistema de fundición compuesto por elmetal, el molde y el aire que rodea a ambos. En los
últimos años, dichos modelos fueron aplicados al
análisis de fundiciones grises, nodulares y a otras
aleaciones [1-4].
En este trabajo se presenta un estudio experimental
y
numérico
del
comportamiento
térmicomicroestructural de la solidificación de fundiciones
grises hipoeutécticas. Los experimentos se llevaron
a cabo en moldes dearena estandarizados (QUIKCUP ® [2])
para
diferentes
composiciones
y
temperaturas de colada en condiciones industriales
de operación. Por otro lado, en la simulación se
plantea el balance térmico en el sistema de

fundición
incorporando
además
modelos
de
formación de la austenita primaria y de la
solidificación eutéctica. Se considera una regla
dependiente de la temperatura paradescribir la
evolución de la austenita mientras que las
fracciones eutécticas de grafito y cementita se
representan por leyes de nucleación y crecimiento
de las respectivas celdas eutécticas. Por último, los
resultados obtenidos a través de la simulación se
comparan con las mediciones experimentales de
curvas de enfriamiento y radios de celda del
eutéctico grafítico finales medidos mediantemetalografía cuantitativa.
2. FORMULACION MATEMÁTICA
El estudio de la transferencia de calor que tiene
lugar en un sistema de fundición formado por una
pieza y un molde puede ser descrito por medio de
la ecuación de balance de energía escrita para cada
uno de dichos medios como [3]:
⋅

− ρc T − ρL f pc + ∇ ⋅(k∇T ) + ρr = 0
.

junto con adecuadas condiciones de contorno e
iniciales....