FUNDAMENTOS DE SOLIDIFICACIÓN La solidificación se entiende como el paso de líquido a sólido de un material y con esto la formación de una o varias fases cristalinas. Fases de la solidificación. Líquido Gérmenes Núcleos Crecimiento
Etapas en la formación de gérmenes El crecimiento de la fase sólida depende de la velocidad con que los átomos del líquido llegan al límite de la interfase sólido-líquido, ( Frente de solidificación). El Frente de solidificación se desplaza perpendicular y opuesto al flujo de calor. En estado líquido, los átomos de esta fase se mueven a altas velocidades en comparación con los átomos en estado sólido, debido a su alta energía cinética. Cuando la temperatura del líquido comienza a disminuir, se forman gérmenes o embriones. Los gérmenes pueden o no crecer, dependiendo de la cantidad de átomos en el aglomerado y de la disminución de temperatura.
Solidificación de metales puros
Nucleación y energía libre de Gibbs (G) Se presenta cuando los gérmenes adquieren un tamaño crítico, convirtiéndose en núcleos los cuales tienen toda la posibilidad de crecer. En el paso de líquido a sólido ocurre un cambio en la energía libre de Gibbs del metal Este cambio ocurre debido a que los átomos pasan de un estado desordenado a altas temperaturas, para dar lugar a una estructura cristalina.
Energía libre de Gibbs en la nucleación homogénea G= E+PV-TS Donde. G: Energía libre de Gibbs E : Energía interna del sistema PV : Trabajo = Presión x Volumen T : Temperatura absoluta S : Entropía L: Calor latente de fusión H: Entropía Como H = E + PV G = H TS Cambio total de energía libre de Gibbs en el proceso de solidificación G = H T f S y S = L T f G = H L
Temperatura de solidificación Calor de fusión (L) Energía superficial (σ) Máx enfriamiento observado, Metal Unidades C K J/cm 3 J/cm 2 T ( C) Pb 327 600 280 33.3 x 10-7 80 Al 660 933 1066 93 x 10-7 130 Ag 962 1235 1097 126 x 10-7 227 Cu 1083 1356 1826 177 x 10-7 236 Ni 1453 1726 2660 255 x 10-7 319 Fe 1535 1808 2098 204 x 10-7 295 Pt 1772 2045 2160 240 x 10-7 332 Nucleación homogénea Este tipo de solidificación se presenta sin ayuda de efectos externos y se presenta sólo cuando las condiciones energéticas y termodinámicas son dadas.
Nucleación Heterogénea Es ayudada por factores como paredes del molde que contienen el líquido, impurezas insolubles, inclusiones de arena u óxidos y otras materias estructurales que reducen la energía requerida para formar un núcleo estable, como por ejemplo la formación de grafito a partir de sulfuros u óxidos. σαβ: Energí interfacial entre las fases alfa y beta σβs: Energí interfacial entre la fase beta y la superficie S σαs: Energí interfacial entre la fase alfa y la superficie S
Solidificación de aleaciones Aleación: Sistema material que involucra más de un elemento químico en su composición
Solidificación según Condiciones de flujo de calor Efecto de la velocidad de enfriamiento Zona de chill corresponde a una zona de enfriamiento rápido. Zona columnar se origina en aquellos granos de la zona chill continuando su crecimiento hacia el centro del lingote Zona central de granos equiaxiales. Se origina cuando la velocidad de enfriamiento es lenta
Estructura química de las aleaciones Como la solidificación de las aleaciones se efectúa dentro de un margen mayor o menor de temperaturas, sus constituyentes presentan amplios márgenes de composición. Durante la solidificación no todos los puntos de la masa están a igual temperatura en cada instante, sino que ésta varía, permitiendo que haya zonas que se enfríen antes que otras. Lo anterior conlleva a que la composición química de la aleación no sea regular, sino que sea fuertemente afectada por el proceso de enfriamiento de la misma.
Segregación dendrítica Se presenta cuando una aleación comienza y termina su solidificación a diferentes temperaturas, empezando a una temperatura inferior a la del componente de más alto punto de fusión y terminando en una superior de la del componente de más bajo punto de fusión. Los cristales que aparecen en esta forma, no tienen igual composición desde el núcleo hasta la periferia