Solidificación de metales:mecanismo, velocidad y proceso | Casting | Ciencias de la fabricación

En este artículo discutiremos sobre la solidificación de metales:- 1. Mecanismo de solidificación 2. Tasa de solidificación 3. Solidificación de una fundición grande en un molde aislante 4. Solidificación con resistencia de interfaz predominante 5. Solidificación con fundición constante Temperatura de la superficie 6. Solidificación con resistencia predominante en moho y metal solidificado.

Contenido:

1. Mecanismo de solidificación
2. Tasa de solidificación
3. Solidificación de una pieza de fundición grande en un molde aislante
4. Solidificación con resistencia de interfaz predominante
5. Solidificación con temperatura constante de la superficie de fundición
6. Solidificación con resistencia predominante en moho y metal solidificado

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1. Mecanismo de solidificación:

Metales puros:

Los líquidos deben enfriarse por debajo de sus puntos de congelación antes de que comience la solidificación. Esto se debe a que se requiere energía para crear superficies para nuevos cristales. El grado de sobreenfriamiento necesario se reduce por la presencia de otras superficies (partículas) que sirven como núcleos iniciales para el crecimiento de cristales.

Cuando se vierte un metal líquido en un molde, inicialmente (en el momento t ₀ en la Fig. 2.14) la temperatura en todas partes es θ ₀ . La cara del molde en sí actúa como núcleo para el crecimiento de los cristales, y si la conductividad del molde es alta, crecen pequeños cristales orientados aleatoriamente cerca de la cara del molde.

Posteriormente, se produce un gradiente de temperatura dentro de la fundición, como se indica en la Fig. 2.14 para t ₁ y t ₂ . A medida que la solidificación progresa gradualmente hacia el interior, crecen cristales columnares largos, con sus ejes perpendiculares a la cara del molde. Esta orientación del crecimiento de los cristales es deseable desde el punto de vista de la resistencia del molde.

Aleaciones:

Una aleación, a diferencia de un metal puro, no tiene una temperatura de congelación claramente definida. La solidificación de una aleación tiene lugar en un rango de temperatura. Durante este proceso, los sólidos que se separan a diferentes temperaturas poseen composiciones variables.

Debido a estos hechos, la dirección del crecimiento de los cristales en una aleación depende de varios factores, como:

(i) El gradiente de composición dentro del casting,

(ii) La variación de la temperatura del sólido con la composición, y

(iii) El gradiente térmico dentro del molde.

Analizaremos cada uno de estos factores considerando el ejemplo de una aleación en solución sólida cuyo diagrama de fase se muestra en la figura 2.15.

Deje que la aleación líquida tenga la composición C ₀ (de B en A). Además, deje θ _f ser el punto de congelación del metal puro A, y θ ₀ y θ ’ ₀ , respectivamente, serán las temperaturas liquidus y solidus de la aleación de composición C ₀ .

A medida que la aleación líquida se enfría a la temperatura 0 _O , los sólidos comienzan a separarse. La concentración de B en estos sólidos es solo C ₁ ( 0 ) como se desprende de la figura 2.15. Como resultado, la concentración de B en el líquido, cerca de la interfaz sólido-líquido, aumenta a un valor superior a C ₀ . La figura 2.16 muestra esto para la situación en la que el frente de solidificación ha progresado hasta cierta distancia d desde la cara del molde.

Ahora, consideremos dos puntos P y Q dentro de la aleación líquida, P está un poco más allá de la interfaz sólido-líquido, como se indica en la figura 2.16. Las temperaturas de solidus correspondientes a las composiciones en P y Q son θ ’ _P y θ ’ _Q , respectivamente (ver Fig. 2.15). Sea θ _P y θ _Q ser las temperaturas reales en los puntos P y Q, respectivamente. θ _Q es mayor que θ _P debido al gradiente térmico dentro de la fundición (ver Fig. 2.14). Si ambos θ _a y θ _P se encuentran en el rango θ ’ _P a θ ’ _Q , entonces el líquido en Q está sobreenfriado, mientras que el líquido en P no lo está. Esto implica que la cristalización comienza en Q antes que en P. Si esta diferencia es muy importante, entonces se obstaculiza el crecimiento columnar de los cristales a partir de la superficie del molde. El crecimiento de cristales en tal situación puede aparecer como en la figura 2.17. Por lo tanto, un dendrítico

Por tanto, se produce una estructura dendrítica. Si la cristalización en Q se completa antes de que comience en P (debido a un gradiente térmico muy pequeño, con una diferencia de concentración muy alta y una línea de solidus muy inclinada), entonces pueden aparecer cristales orientados aleatoriamente dentro de la fundición. Además, la presencia de cristales sólidos delante de la interfaz sólido-líquido dificulta la alimentación del metal líquido. Esto también implica un mayor riesgo de tener huecos dentro de la pieza fundida, lo que normalmente se conoce como contracción de la línea central.

Un remedio para evitar el problema mencionado anteriormente es producir un gran gradiente térmico dentro del molde proporcionando un frío (bloque de metal enfriado con alta conductividad térmica) en el extremo del molde. Si θ _P está considerablemente por debajo de 6q, entonces el grado de sobreenfriamiento no es significativamente diferente en P y Q y se asegura un progreso gradual de la interfaz sólido-líquido. El problema es obviamente menos crítico para las aleaciones que tienen una pequeña diferencia de temperatura entre las líneas liquidus y solidus.

En la figura 2.18 se muestran los patrones de congelación de un molde refrigerado y uno ordinario. En la figura 2.18a, la solidificación comienza en la línea central del molde antes de que se complete la solidificación incluso en la cara del molde. En el molde enfriado (Fig. 2.18b), por otro lado, debido a la rápida extracción de calor, una estrecha zona líquido-sólido barre rápidamente el metal fundido.

La dificultad de alimentar una aleación determinada en un molde se expresa mediante una cantidad, denominada Resistencia de alimentación de línea central (CFR). Se define como -

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2. Tasa de solidificación:

Un depósito de metal líquido, llamado tubo ascendente, se utiliza para compensar la contracción que tiene lugar desde la temperatura de vertido hasta la solidificación. A este respecto, el hierro fundido gris es una excepción interesante donde la solidificación ocurre en dos etapas.

La contracción asociada con la primera etapa bien puede ser compensada por la expansión que tiene lugar durante la segunda etapa y, como tal, puede que no sea necesario un elevador. Para asegurarnos de que la contrahuella no se solidifique antes de la fundición, debemos tener una idea del tiempo que tarda la fundición en solidificarse.

Además, la colocación (ubicación) del tubo ascendente puede elegirse con criterio si se dispone de una estimación del tiempo que tarda la pieza fundida en solidificarse hasta una cierta distancia desde la cara del molde.

El calor rechazado por el metal líquido se disipa a través de la pared del molde. El calor, liberado como resultado del enfriamiento y solidificación del metal líquido, pasa a través de diferentes capas. La distribución de temperatura en estas capas, en cualquier instante, se muestra esquemáticamente en la figura 2.19.

Las resistencias térmicas que gobiernan todo el proceso de solidificación son las del líquido, el metal solidificado, la interfaz metal-molde, el molde y el aire ambiente. Estas cinco regiones diferentes se indican con los números del 1 al 5 en la figura 2.19. El proceso de solidificación es bastante complicado, especialmente cuando se considera la geometría compleja, la congelación de las aleaciones o la dependencia de la temperatura de las propiedades térmicas.

En lo que sigue, discutiremos la solidificación de metales puros en algunos casos de interés práctico. Al hacerlo, haremos, según la situación, suposiciones simplificadoras para despreciar la resistencia térmica de una o más de las regiones que se muestran en la figura 2.19.

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3. Solidificación de una pieza de fundición grande en un molde aislante:

Durante la solidificación de una gran pieza fundida en un molde aislante, como el que se utiliza en la arena o en la fundición a la cera perdida, el molde ofrece casi toda la resistencia térmica. Por lo tanto, el análisis que proporcionamos calcula el tiempo de congelación considerando solo la resistencia térmica de la región 2 (figura 2.19).

Considere la cara AB de un molde que se muestra en la figura 2.20. El molde grande, inicialmente a una temperatura θ ₀ , se supone que se extiende hasta el infinito en la dirección x.

En el tiempo t =0, el metal líquido a la temperatura θ _p se vierte en el molde. También asumimos que el metal que está en contacto con la cara del molde se solidifica instantáneamente. En otras palabras, la temperatura de la cara del molde se eleva a θ _f (temperatura de congelación del metal) en t =0 y se mantiene en ese valor la finalización de la solidificación.

Cabe señalar que el análisis anterior supone una interfaz AB de metal-molde plana, que no se encuentra normalmente en la práctica de la ingeniería. A menudo, se nos pide que averigüemos el tiempo de congelación de contornos complejos.

Para tales contornos, todo lo que necesitamos hacer es observar (sin cálculos precisos) las siguientes características básicas para saber si el análisis que hemos dado subestima o sobreestima el tiempo de congelación real. Para observar estas características, consideramos tres tipos de interfaces metal-molde (véase la figura 2.21), a saber, (i) convexa, (ii) plana (utilizada en nuestro análisis) y (iii) cóncava.

En la figura 2.21a, el flujo de calor es más divergente y, en consecuencia, la tasa es algo mayor que la de la figura 2.21b. Por tanto, el análisis anterior sobreestima el tiempo de congelación en tal caso. De manera similar, en la figura 2.21c, el flujo de calor es más convergente y, en consecuencia, la tasa es algo menor que la de la figura 2.21b. Entonces, el tiempo de congelación en tal caso está subestimado por el análisis que hemos dado.

Los resultados cuantitativos del efecto de la interfaz molde-fundición sobre el tiempo de congelación se pueden obtener para algunas formas básicas. Antes de dar estos resultados, definimos dos parámetros adimensionales, a saber:

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4. Solidificación con resistencia de interfaz predominante:

En algunos procesos de fundición comunes, el flujo de calor se controla significativamente mediante la resistencia térmica de la interfaz molde-metal. Estos procesos incluyen la fundición en molde permanente y la fundición a presión.

La condición de resistencia al contacto no existe solo cuando el contacto entre el molde y el metal es tan íntimo que se produce un mojado perfecto, es decir, la pieza fundida se suelda a la cara del molde. En tal caso, la distribución de temperatura, asumiendo que no hay sobrecalentamiento, es como se muestra en la figura 2.23. Estamos considerando nuevamente un problema de flujo de calor unidimensional.

La ecuación (2.44) es útil para estimar el tiempo de solidificación de piezas pequeñas de sección delgada fundidas en un molde de metal pesado como se usa en una matriz o molde permanente.

Puede observarse en esta etapa que, además de la resistencia de la interfaz que hemos discutido, existen diferencias significativas entre el proceso de solidificación en un molde de arena y el de un molde frío o metálico.

Aquí damos dos formas importantes en las que este último se diferencia del primero:

(i) La conductividad térmica del metal solidificado puede proporcionar una resistencia térmica considerable, como se muestra en la región 4 de la figura 2.19. Debido a esto, la temperatura de la superficie de la pieza fundida (θ _s ), como se puede ver, se vuelve mucho más baja que la temperatura de congelación θ _f .

(ii) Debido al metal solidificado subenfriado, se debe eliminar más calor total que el considerado. Por tanto, la capacidad calorífica del metal que solidifica también juega un papel importante en la velocidad de solidificación.

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5. Solidificación con temperatura constante de la superficie de fundición:

Si una pieza fundida grande en forma de placa (digamos, de acero) se produce en un molde delgado enfriado por agua hecho de un metal (digamos, de cobre) que tiene una conductividad mucho más alta que la fundición solidificada, entonces la resistencia térmica proporcionada por el metal que solidifica en sí es significativo. En tal caso, la resistencia térmica predominante la ofrece la región 4 (ver Fig. 2.19).

Sin tener en cuenta las resistencias térmicas de todas las demás regiones, la distribución de temperatura en cualquier instante toma la forma que se muestra en la figura 2.24. Aquí, la temperatura de la interfaz molde-metal (o la superficie de fundición) θ _S se puede suponer que permanece constante en su valor inicial θ ₀ y θ _f indica la temperatura de congelación del metal y esto también se toma como la temperatura de vertido.

En cualquier instante t, δ (t) indica la profundidad de solidificación. El proceso se puede idealizar, sin mucho error, como unidimensional. Por lo tanto, el tiempo de solidificación t _s se obtiene de δ (t _s ) =h / 2, donde h es el espesor de la losa que se va a colar. El perfil de temperatura dentro del rango 0

Este análisis es válido solo después de que finaliza la etapa de solidificación inicial (0.5-1 cm). Se pueden encontrar resultados similares para el tiempo de solidificación de las otras formas en la literatura disponible.

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6. Solidificación con resistencia predominante en molde y metal solidificado:

El molde de cobre es bastante grueso y no se enfría con agua. Luego, la temperatura de la interfaz molde-metal θ _S ya no se puede suponer que permanezca en su valor inicial θ ₀ . El valor de θ _S , aún asumido como constante, se decide por las propiedades térmicas del molde y el metal solidificado.

Además, después de la etapa inicial de solidificación, la resistencia de la interfaz también se vuelve insignificante. Por tanto, la única resistencia térmica significativa la ofrecen las regiones 2 y 4 (figura 2.19) y la distribución de temperatura resultante en cualquier instante es como se muestra en la figura 2.25. Suponiendo que el molde es un medio semi-infinito en la dirección x negativa, la distribución de temperatura en el molde es

Ahora, se conocen el lado izquierdo y ɸ en la ecuación (2.62); por tanto, ζ se puede determinar gráficamente o por ensayo y error. En el primer enfoque, una gráfica de ζe ^ζ2 [erf (ζ) + ɸ] versus ζ debe extraerse para el valor dado de ɸ, y luego ζ puede resolverse con el valor conocido del lado izquierdo de la ecuación (2.62). Una vez que se conoce ζ, la profundidad de solidificación se puede calcular a partir de la ecuación (2.47) y el tiempo de solidificación a partir de la ecuación (2.52). Para que tal casting sea factible, debe asegurarse que θ _S resulta ser menor que el punto de fusión del metal del molde.

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