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Fundamentos de la fundicin de metales

Solidificacin de metales puros

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Un metal puro solidifica a temperatura constante (tiene un punto de fusin claramente definido).

Temperatura como funcin del tiempo de solidificacin de los metales puros.

El metal solidificado (fundicin) se saca del molde y se enfra a la temperatura ambiente.

El frente de solidificacin (interfaz slido - lquido) del metal puro se mueve de las paredes del molde hacia el centro.

vista seccin frontal del molde

Estructura del grano de la fundicin de un metal puro en un molde cuadrado (seccin transversal)

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Capa superficial solidificada (cscara) de finos granos equiaxiales. Se produce por que es una zona de enfriamiento rpido (las paredes del molde estn a temperatura ambiente).

Granos columnares: Se originan de aquellos granos equiaxiales que tienen orientacin favorable (no bloquean su crecimiento entre si).

Granos orientados favorablemente, crecen alejndose de la superficie del molde (Zona Columnar).

Estructura del grano de la fundicin de un metal puro en un molde cuadrado (vista seccin frontal del molde).

Nucleacin homognea (los granos crecen sobre s mismos, a partir de la pared del molde).

Los dos tipos de granos crecen en direccin opuesta a la de la transferencia de calor a travs del molde.

Solidificacin en aleaciones

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Inicio de la solidificacin

Fin de la solidificacin

Intervalo de temperaturas durante la solidificacin

Estado blando o pastoso que consiste en dendritas columnares

Presencia de metal lquido entre los brazos de las dendritas.

Dendritas: crecen hasta entrelazarse unas con otras, tienen brazos y ramas tridimensionales (brazos secundarios).

Rango de solidificacin = TL TS Rango de solidificacin corto (< 50C) Rango de solidificacin largo (> 110C)

En metales puros y aleaciones eutcticas, el frente de solidificacin es plano, no existen dendritas.

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Patrones de solidificacin para el hierro fundido en una fundicin cuadrada de 180 mm (7 pulgadas).

Las dendritas tienen brazos y ramas tridimensionales (brazos secundarios) que se entrelazan al final (para este caso se alcanzan una a otra al minuto 11).

Las estructuras dendrticas contribuyen a factores dainos como: variaciones en la composicin, segregacin y microporosidad (huecos por contraccin entre las dendritas).

Segragacin: Al iniciar la formacin de las dendritas, estas crecen y se genera un desbalance entre la composicin del metal solidificado y el metal fundido remanente, es decir solidificar primero el elemento de mayor punto de fusin, provocando que este se separe del otro que seguir todava en estado lquido.

Segregacin microscpica: la composicin qumica vara a travs de cada grano individual, la dendrita crece a expensas del lquido remanente que ha sido parcialmente agotado del elemento que solidific primero.

Efectos de las velocidades de enfriamiento.

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Valoracin de la velocidad de enfriamiento

Valor aproximado de la velocidad de enfriamiento (/)

Tipo de estructura dendrtica que se produce

Baja 102 Gruesa (con gran espaciamiento entre los brazos dendriticos).

Alta 104 Fina (espaciamiento corto entre los brazos dendriticos).

Superior 106 108 Amorfa

Tamao de grano fino: Aumentan resistencia y ductilidad de la aleacin Reduce la microporosidad Reduce su tendencia al agrietamiento

(agrietamiento en caliente) durante la solidificacin.

Falta de uniformidad en el tamao de grano: Produce fundiciones con propiedades anisotrpicas

(las propiedades varan segn la direccin en que se las mide).

Relaciones estructura-propiedad

Si la aleacin se enfra muy lentamente (condiciones de equilibrio), cada dendrita desarrolla una composicin uniforme.

Si se tiene enfriamiento rpido, se forman dendritas con ncleo, stas tienen composicin superficial distinta de la de sus centros (gradiente de concentracin).

Microsegregacin: el soluto es rechazado desde el ncleo hacia la superficie durante la solidificacin de la dendrita.

Macrosegregacin: implica diferencias de composicin a lo largo de la propia fundicin.

ESPOCH - EIA Esquema de tres tipos bsicos de estructuras fundidas: (a)dendrtica columnar; (b)dendrtica equiaxial; y (c)equiaxial no dendrtica.

Regiones que poseen una mayor concentracin de soluto (es rechazado desde el ncleo ).

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Segregacin normal: los constituyentes con punto de fusin ms bajo de la aleacin que se est solidificando son empujados hacia el centro

Esquema de estructuras fundidas en: (a) un frente plano monofsico, y (b) un frente plano bifsico (los elementos de aleacin se concentran ms en el centro que en la superficie).

En aleaciones de soluciones slidas (slido que consta de dos o ms elementos dispersos atmicamente y forman una estructura de una sola fase), ocurre lo contrario a la segregacin normal, el centro de la fundicin tiene menos elementos de aleacin (segregacin inversa) que la superficie.

Segregacin por gravedad. las inclusiones o compuestos de mayor densidad se hunden y los elementos ms ligeros flotan en la superficie.

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Conforme la fuerza impulsora de la transferencia de calor (diferencia de temperaturas) se reduce, los granos se vuelven equiaxiales y gruesos.

Esquema de una estructura de aleaciones de solucin slida (seccin transversal) .

Agregando un inoculante (agente nucleante), se induce la nucleacin de granos equiaxiales a travs de todo el metal lquido (nucleacin heterognea).

Estructura equiaxial obtenida utilizando agentes nucleantes (seccin transversal).

Esquema de una estructura de aleaciones de solucin slida (seccin frontal).

Estructura equiaxial obtenida utilizando agentes nucleantes (seccin frontal).

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Esquema de una estructura dendrtica equiaxial.

Esta estructura tambin se puede obtener aumentando la conveccin (Propagacin del calor en fluidos y lquidos por el movimiento de sus partculas producido por las diferencias de densidad) dentro del metal lquido en donde se separan los brazos de las dendritas (multiplicacin de las dendritas).

Mediante agitacin o vibracin mecnica en las etapas iniciales de la solidificacin, se produce un grano de tamao ms fino con granos no dendrticos equiaxiales distribuidos con mayor uniformidad a lo largo de la fundicin (se forma un metal semislido). Esquema de una estructuras

equiaxial no dendrtica

Comportamiento tixotrpico de las aleaciones: la viscosidad decrece cuando se agita el metal lquido, lleva a una mejor capacidad de fundicin (colabilidad).

Flujo del fluido

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Aqu se vaca el metal fundido

Sistema de alimentacin. Por aqu fluye el metal fundido

Canal cnico vertical

Conduce el metal fundido desde el bebedero a la cavidad del molde, o conectan el bebedero a la compuerta

Parte del canal de alimentacin por la que el metal fundido entra en la cavidad del molde.

Especie de embudo que se encuentra en comunicacin con el molde, tiene como objeto asegurar su completo llenado (compensar las contracciones del metal, formacin de rechupes y porocidades). El espesor tiene que ser mayor que el espesor del lugar de la pieza sobre la que se dispone. Se colocan sobre las partes ms densas.

Descripcin breve de un sistema bsico de fundicin por gravedad:

Una fundicin requiere un diseo y control del proceso de solidificacin apropiado (evitar cambios sbitos en la direccin del flujo y en la geometra ), con el fin de asegurar un adecuado flujo del fluido en el sistema.

Sistema de Alimentacin: Atrapa contaminantes (xidos , inclusiones) que se adhieren a sus paredes, evita o minimiza problemas de: enfriamiento prematuro, turbulencia, algn gas atrapado.

Principios bsicos fundamentales en el diseo de los canales de alimentacin:

Teorema de Bernoulli: se basa en el principio de la conservacin de la energa.

Al analizar 2 puntos diferentes del sistema, se cumple la relacin:

Continuidad de masa: La velocidad de flujo es constante. Al analizar 2 puntos diferentes del sistema, se cumple :

En los moldes de arena, debido a la permeabilidad de las paredes, el gasto disminuye conforme el lquido se mueve a travs del sistema, por lo cual con frecuencia se utilizan recubrimientos para inhibir dicho comportamiento . ESPOCH - EIA

p = Presin v = velocidad h = elevacin del fluido a cualquier punto. f = perdidas por friccin.

Q = caudal A = rea transversal de la corriente lquida v = velocidad..