Solidificacion De Los Metales

Solidificación de Metales

Durante los procesos de fundición, las piezas adquieren su forma gracias a la solidificación de un volumen metal o aleación metálica, forzado a solidificar bajo las restricciones de forma del molde. Las condiciones geométricas del molde, la velocidad de enfriamiento, el tipo de material utilizado, son variables que influyen en el mecanismo interno de solidificación,y por ende influyen en las propiedades mecánicas que tendrá la pieza.

1. Proceso de Solidificación

La solidificación de un metal o aleación metálica en estado líquido ocurre por formación y crecimiento de núcleos. La disminución de energía causada por el enfriamiento produce una aglomeración espontánea de partículas, permitiendo la formación de un núcleo. A medida que la temperaturadisminuye, los núcleos crecen, dando origen a los granos que constituirán la estructura del metal sólido.

2. Solidificación de Metales puros

Los metales puros, a diferencia de las aleaciones metálicas, poseen una temperatura de fusión bien definida, por lo que, al ser enfriados en equilibrio, toda la masa metálica solidifica a una misma temperatura, . Esta temperatura se mantiene constantedurante el cambio de fase y es seguida de un enfriamiento en estado sólido. Los metales, sin embargo, normalmente son enfriados bajo condiciones de no equilibrio. En estas condiciones, los núcleos sólidos comenzarán a formarse a una temperatura menor que , requiriendo entonces de un subenfriamiento. La evolución de la temperatura en función del tiempo durante la solidificación se ilustra en una curva deenfriamiento típica en la figura 2.
Se observa que, luego del subenfriamiento representado por , el material sufre un leve aumento de temperatura hasta llegar a la temperatura de fusión. Esto ocurre ya que, cuando existe suficiente sólido formado, éste libera una cantidad apreciable de calor latente de transformación, lo que eleva la temperatura del material hasta. Una vez alcanzada , latemperatura permanece constante durante la solidificación. El fenómeno de aumento de temperatura después del subenfriamiento recibe el nombre de recalescencia.
Los granos de un metal idealmente puro crecen en forma columnar plana –es decir, como un grano alargado- en las zonas inmediatamente aledañas a las paredes de los moldes, en la dirección principal de la transferencia de calor. En las zonascentrales, donde la formación de sólido metálico en las paredes disminuye la conductividad del calor, los granos suelen ser equiaxiales, como se muestra en la figura 3.
3. Solidificación de Aleaciones

Las aleaciones metálicas, al estar constituidas por más de un elemento, solidifican en un rango de temperaturas y no a temperatura constante, como los metales puros. Este rango de temperaturascomienza con la temperatura y termina con la temperatura del diagrama de fase de la aleación, para una composición de aleación dada.

La forma de los bordes de grano en la solidificación de aleaciones generalmente es dendrítica, como muestra la figura 4. Esto ocurre porque el gradiente térmico es negativo, es decir, que la temperatura del líquido aledaño a la interfase es menor que la del sólidoformado. La negatividad del gradiente térmico se debe a que el líquido frente a la interfase se enriquece de soluto debido a una re-eyección por parte del sólido; de esta forma, el líquido baja su temperatura y se obtiene un crecimiento dendrítico. La figura 4 ilustra una estructura típica de crecimiento dendrítico.

La naturaleza termodinámica de la zona de la interfase, cuestión que determina laforma de crecimiento de grano, queda definida tanto por el gradiente térmico como por la velocidad de solidificación, como se ilustra en la figura 5.
En la figura 5, G representa el gradiente térmico y R la velocidad de solidificación (velocidad con que avanza la interfase, directamente relacionada con la velocidad de enfriamiento).

En las aleaciones enfriadas bajo condiciones de no...