Solidificacion

PROCESOS DE SOLIDIFICACIÓN
1.1. Introducción
En general, los productos metálicos se originan en una primera etapa en estado líquido, luego del cual se pasa al estado sólido mediante moldes o por colada continua. El proceso de solidificación es determinante para la calidad del producto final, porque si el material queda defectuoso en esta etapa, será muy difícil efectuar las correcciones en elprocesamiento posterior.
Defectos frecuentes de la etapa de fusión y solidificación son: 
 
* porosidades
* microgrietas
* inclusiones no metálicas
* segregación de elementos de aleación
* formas de granos muy heterogéneas (por ejemplo: granos muy alargados y granos pequeños)
* rechupes, (huecos debidos a la contracción del metal líquido al solidificarse y que no han sidollenados por más metal líquido).

La obtención de un producto sano por solidificación no es simple y requiere un profundo conocimiento acerca de la relación entre diferentes variables que veremos en este capítulo.
 

1. Solidificación
1.2. Nucleación

La transformación de líquido a sólido ocurre en dos etapas. La primera, es la nucleación de la fase sólida en la fase líquida, donde segenera una superficie sólido - líquido que tiene una energía de superficie  (energía por unidad de superficie) y, la segunda, se refiere al crecimiento de estos núcleos a medida que desciende la temperatura. Por lo tanto, durante la solidificación coexisten ambas fases, sólida y líquida.
La relación entre las velocidades de nucleación y crecimiento determinara la forma y el tamaño de los granos delsólido resultante.
La velocidad de nucleación se puede expresar por:
 (1)
Dónde:
 (2)
El primer término de (2) corresponde al calor latente de solidificación, y el segundo término corresponde al grado de sobreenfriamiento T-TE.
 G* proviene de la barrera de energía necesaria para vencer la resistencia a la formación de una superficie entre el líquido y el sólido.
 ED proviene de la barrerade energía que existe para producir la difusión de átomos que deben desplazarse para ubicarse ordenadamente en el nuevo núcleo cristalino.
Las anteriores resistencias a la nucleación exigen un sobreenfriamiento para que se inicie el proceso de solidificación; el sobreenfriamiento será mayor para una nucleación homogénea, es decir, aquella por la cual se forma un núcleo en el seno mismo dellíquido. Por otra parte, la nucleación heterogénea está caracterizada por la formación de núcleos sobre superficies sólidas existentes como paredes del molde o partículas sólidas en suspensión. El diagrama Temperatura (T) v/s tiempo (t) tendrán la siguiente forma para la solidificación de un metal puro:

Una característica importante de la cristalización de los sólidos es que a presión constante poseenuna temperatura característica de equilibrio sólido/líquido, TE. Solamente a esta temperatura existe el equilibrio, por lo tanto, podemos decir que las energías libres del sólido y del líquido son iguales. A una temperatura mayor a TE la fase líquida posee una energía libre menor que la fase sólida siendo, por lo tanto, la fase estable. Análogamente, a temperatura menor a TE la fase sólida poseeuna energía libre menor que la fase líquida, luego, la fase estable es la sólida.
Cabe señalar que si el líquido se enfría a una temperatura menor que TE no se produce la cristalización en forma inmediata, se requiere de un cierto grado de sobreenfriamiento para que el proceso de solidificación comience. Como se muestra en la Figura 1.2-1: 
 
* El líquido es enfriado hasta TE, corresponde ala zona a.
* El líquido debe ser sobre enfriado en una cantidad  T para comenzar la nucleación. El  T será mayor para nucleación homogénea, (curva b), que para nucleación heterogénea, (curva c).
* Si continúa el crecimiento de los núcleos, se eleva la temperatura hasta TE, producto del calor latente de solidificación, y de esta manera se mantiene constante esta temperatura. Esto...