Solidificación de metales: mecanismos, tasas y procesos de fundición

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

Contenido

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

1. Mecanismo de solidificación

Metales puros

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

Cuando un metal líquido se vierte en un molde, inicialmente (en el tiempo t₀ en la Fig. 2.14) la temperatura en todas partes es θ₀. La cara del molde actúa como núcleo para el crecimiento cristalino, y si la conductividad del molde es alta, cristales pequeños orientados aleatoriamente crecen 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 t₁ y t₂. A medida que la solidificación avanza gradualmente hacia el interior, crecen cristales columnares largos, con sus ejes perpendiculares a la cara del molde. Esta orientación del crecimiento cristalino es deseable desde el punto de vista de la resistencia de la fundición.

Aleaciones

Una aleación, a diferencia de un metal puro, no tiene una temperatura de congelación bien definida. La solidificación de una aleación ocurre 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 cristalino en una aleación depende de varios factores, tales como:

1. El gradiente de composición dentro de la fundición.
2. La variación de la temperatura de solidus con la composición.
3. El gradiente térmico dentro del molde.

Discutiremos cada uno de estos factores considerando el ejemplo de una aleación de solución sólida cuyo diagrama de fases se muestra en la Fig. 2.15.

Sea la aleación líquida de composición C₀ (de B en A). También, sea θ_f el punto de congelación del metal puro A, y θ₀ y θ'₀, respectivamente, las temperaturas de liquidus y solidus de la aleación de composición C₀.

A medida que la aleación líquida se enfría hasta la temperatura θ₀, los sólidos comienzan a separarse. La concentración de B en estos sólidos es solo C₁ (< C₀), como es evidente de la Fig. 2.15. Como resultado, la concentración de B en el líquido, cerca de la interfaz sólido-líquido, aumenta a un valor mayor que C₀. La Fig. 2.16 muestra esto para la situación donde 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 estando justo más allá de la interfaz sólido-líquido, como se indica en la Fig. 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). Sean θ_P y θ_Q 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 tanto θ_Q como θ_P están en el rango θ'_P a θ'_Q, entonces el líquido en Q está subenfriado, mientras que el de P no lo está. Esto implica que la cristalización comienza en Q antes que en P. Si esta diferencia es muy pronunciada, el crecimiento columnar de cristales que comienza desde la superficie del molde se ve obstaculizado. El crecimiento cristalino en tal situación puede aparecer como en la Fig. 2.17. Así, 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), pueden aparecer cristales orientados aleatoriamente dentro de la fundición. Además, la presencia de cristales sólidos por delante de la interfaz sólido-líquido hace más difícil la alimentación del metal líquido. Esto también implica mayor riesgo de tener vacíos dentro de la fundición, normalmente denominados contracción de línea central.

Un remedio para evitar el problema anterior es producir un gran gradiente térmico dentro del molde proporcionando un bloque de enfriamiento (chill) (bloque de metal enfriado con alta conductividad térmica) en el extremo del molde. Si θ_P está considerablemente por debajo de θ_Q, el grado de subenfriamiento 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 aleaciones con una pequeña diferencia de temperatura entre las líneas de liquidus y solidus.

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

La dificultad de alimentar una aleación dada en un molde se expresa por una cantidad llamada Resistencia de Alimentación de Línea Central (CFR). Se define como:

[Definición matemática de CFR]

2. Tasa de solidificación

Un depósito de metal líquido, llamado alimentador (riser), se usa para compensar la contracción que ocurre desde la temperatura de vaciado hasta la solidificación. En este sentido, el hierro fundido gris es una excepción interesante donde la solidificación ocurre en dos etapas.

La contracción asociada con la primera etapa puede ser compensada por la expansión que ocurre durante la segunda etapa, y como tal, un alimentador puede no ser necesario. Para asegurar que el alimentador no se solidifique antes que la fundición, debemos tener una idea del tiempo que tarda la fundición en solidificarse.

Además, la colocación (ubicación) del alimentador puede elegirse judiciosamente si se tiene una estimación del tiempo que tarda la fundición en solidificarse hasta 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 Fig. 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 están indicadas por los números 1 a 5 en la Fig. 2.19. El proceso de solidificación es bastante complicado, especialmente cuando se considera geometría compleja, congelación de aleaciones o 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 suposiciones simplificadoras para despreciar la resistencia térmica de una o más de las regiones mostradas en la Fig. 2.19.

3. Solidificación de una fundición grande en molde aislante

Durante la solidificación de una fundición grande en un molde aislante, como el usado en fundición en arena o por inversión, casi toda la resistencia térmica es ofrecida por el molde. Por tanto, el análisis que damos calcula el tiempo de congelación considerando solo la resistencia térmica de la región 2 (Fig. 2.19).

Considere una cara de molde AB mostrada en la Fig. 2.20. El molde grande, inicialmente a una temperatura θ₀, se asume extendido hasta el infinito en la dirección x.

En el tiempo t = 0, el metal líquido a temperatura θ_p se vierte en el molde. También asumimos que el metal justo 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 hasta la finalización de la solidificación. La distribución de temperatura dentro del molde en un tiempo posterior t (asumiendo conducción de calor unidimensional en la dirección x) para tal caso viene dada por:

[Ecuación de distribución de temperatura]

Debe notarse que el análisis anterior asume una interfaz metal-molde plana AB, no usual en la práctica de ingeniería. A menudo, se requiere encontrar el tiempo de congelación de contornos complejos.

Para tales contornos, todo lo que necesitamos es observar (sin cálculos precisos) las siguientes características básicas para saber si el análisis dado subestima o sobrestima el tiempo real de congelación. Para observar estas características, consideramos tres tipos de interfaces metal-molde (ver Fig. 2.21): (i) convexa, (ii) plana (usada en nuestro análisis), y (iii) cóncava.

En la Fig. 2.21a, el flujo de calor es más divergente, y consecuentemente la tasa es algo mayor que en la Fig. 2.21b. Así, el tiempo de congelación en tal caso es sobrestimado por el análisis anterior. Similarmente, en la Fig. 2.21c, el flujo de calor es más convergente, y consecuentemente la tasa es algo menor que en la Fig. 2.21b. Por tanto, el tiempo de congelación en tal caso es subestimado por el análisis dado.

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

[Definición de parámetros adimensionales]

4. Solidificación con resistencia de interfaz predominante

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

La condición de resistencia de contacto nula existe solo cuando el contacto molde-metal es tan íntimo que ocurre un humectación perfecta, es decir, la fundición se suelda a la cara del molde. En tal caso, la distribución de temperatura, asumiendo sin sobrecalentamiento, es como se muestra en la Fig. 2.23. Consideramos nuevamente un problema de flujo de calor unidimensional.

[Ecuación 2.44]

La ecuación (2.44) es útil para estimar el tiempo de solidificación de piezas pequeñas, de sección delgada, fundidas en un molde metálico pesado como se usa en fundición a presión o en molde permanente.

Cabe notar en esta etapa que, además de la resistencia de interfaz discutida, hay diferencias significativas entre el proceso de solidificación en un molde de arena y el de un molde de enfriamiento (chill) o metálico.

Damos aquí dos formas importantes en que este último difiere del primero:

1. La conductividad térmica del metal solidificado puede proporcionar una resistencia térmica considerable, como se muestra en la región 4 de la Fig. 2.19. Debido a esto, la temperatura de superficie de la fundición (θ_s) se vuelve mucho menor que la temperatura de congelación θ_f.
2. Debido al metal solidificado subenfriado, debe removerse más calor total del considerado. Así, la capacidad calorífica del metal en solidificación también juega un papel importante en la tasa de solidificación.

5. Solidificación con temperatura de superficie de fundición constante

Si una fundición grande en forma de losa (p. ej., de acero) se produce en un molde delgado refrigerado por agua hecho de un metal (p. ej., cobre) con conductividad mucho mayor que la de la fundición solidificada, entonces la resistencia térmica proporcionada por el metal en solidificación es significativa. En tal caso, la resistencia térmica predominante es ofrecida por la región 4 (ver Fig. 2.19).

Despreciando las resistencias térmicas de todas las demás regiones, la distribución de temperatura en cualquier instante toma la forma mostrada en la Fig. 2.24. Aquí, la temperatura de la interfaz molde-metal (o superficie de la fundición) θ_S puede asumirse constante en su valor inicial θ₀, y θ_f indica la temperatura de congelación del metal y también se toma como la temperatura de vaciado.

En cualquier instante t, δ(t) indica la profundidad de solidificación. El proceso puede idealizarse, sin mucho error, como unidimensional. Por 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 funde. El perfil de temperatura dentro del rango 0 < x < δ(t) viene dado por:

[Ecuación de perfil de temperatura]

Este análisis es válido solo después de la etapa inicial de solidificación (0,5-1 cm). Resultados similares para el tiempo de solidificación de otras formas pueden encontrarse en la literatura disponible.

6. Solidificación con resistencia predominante en molde y metal solidificado

El molde de cobre es bastante grueso y no está refrigerado por agua. Entonces, la temperatura de la interfaz molde-metal θ_S ya no puede asumirse que permanezca en su valor inicial θ₀. El valor de θ_S, aún asumido constante, se decide por las propiedades térmicas del molde y del metal solidificado.

Además, después de la etapa inicial de solidificación, la resistencia de interfaz también se vuelve despreciable. Así, la única resistencia térmica significativa es ofrecida por las regiones 2 y 4 (Fig. 2.19) y la distribución de temperatura resultante en cualquier instante es como se muestra en la Fig. 2.25. Asumiendo el molde como un medio semi-infinito en la dirección x negativa, la distribución de temperatura en el molde es:

[Ecuación de distribución en molde]

Ahora, el lado izquierdo y φ en la ecuación (2.62) son conocidos; por lo tanto, ζ puede determinarse gráficamente o por prueba y error. En el primer enfoque, se debe dibujar un gráfico de ζe^{ζ²}[erf(ζ) + φ] versus ζ para el valor dado de φ, y ζ puede resolverse con el valor conocido del lado izquierdo de la ecuación (2.62). Una vez conocido ζ, la profundidad de solidificación puede calcularse a partir de la ecuación (2.47) y el tiempo de solidificación a partir de la ecuación (2.52). Para que tal fundición sea factible, debe asegurarse que θ_S resulte ser menor que el punto de fusión del metal del molde.