Solidificacion y enfriamiento del Plomo

Integrantes: Camacho Obregón, Dali

Castro Rodriguez, Sheila

Coila Chacón, Harold

Salinas Herrera, Brenda

Vilcahuaman Colonio, Joel

Villa Manchay, Fernando

UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS

CIENCIA Y TECNOLOGIA DE MATERILES

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CONTENIDO

INTRODUCCIÓN:......................................................................................................................2

OBJETIVOS GENERAL Y ESPECIFICOS:..........................................................................3

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO, MÁQUINAS Y MATERIAL UTILIZADO:...........................3

Horno de fundición casero (utilizando ladrillos refractarios)...........................................3

Crisol de arcilla – bórax....................................................................................................4

Soldadura oxiacetilénica - lingotera tubular.....................................................................4

PROCEDIMIENTO:...................................................................................................................5

RESULTADO DEL ENSAYO:..................................................................................................6

CÁLCULOS:...............................................................................................................................6

OBSERVACIONES:..................................................................................................................7

CONCLUSIONES:.....................................................................................................................7

PREGUNTAS:............................................................................................................................8

1.- Describa las partes de una curva de enfriamiento de una aleación isomorfa y comente cada una de ellas. Grafique......................................................................................................8

2.- Describa, paso a paso, el proceso básico para la construcción de un diagrama de fases isomorfo a partir de curvas de enfriamiento. Asuma 4 a 5 curvas con diferentes porcentajes de aleantes...............................................................................................................................9

3.- Describa el proceso de solidificación de las aleaciones C3 y C4 del diagrama Pb-Sn.........10

4.- Qué es una termocupla? Describa su funcionamiento, clasificación y materiales que se usan para su construcción......................................................................................................12

5.- DESCRIBA LOS MATERIALES UTILIZADOS EN EL LABORATORIO PARA CONSTRUIR LA CURVA DE ENFRIAMIENTO Y LINGOTES..................................................................................14

6.- Dibuje la estructura de un lingote y señale las diferentes zonas o componentes que se forman....................................................................................................................................15

7.- De qué depende la extensión de la zona “chill”?...............................................................16

8.- ¿Cómo se forma la zona columnar en un lingote, porqué produce “anisotropía”?...........16

9.- Mencione los defectos frecuentes de la etapa de fusión y solidificación. Describa dos de ellos........................................................................................................................................17

10.- De qué depende la calidad de un lingote para su posterior conformado plástico:..........17

BIBLIOGRAFÍA:.......................................................................................................................18

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INTRODUCCIÓN:

En el laboratorio de curvas de enfriamiento se realizó el análisis térmico y la construcción de las curvas mediante el estudio de la variación de temperatura que experimenta una aleación después de ser fundido y el tiempo que pasa para cambiar de fases de líquido a sólido. Después, en el laboratorio de solidificación se analizaran los productos metálicos que se originan en una primera etapa en estado líquido, luego del cual se pasa al estado sólido mediante moldes o por el medio de colado1. El proceso de solidificación es determinante para la calidad del producto final, ya que determina con este la microestructura y sus propiedades mecánicas.

1 Es el vaciado a un molde, para formar un lingote.

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OBJETIVOS GENERAL Y ESPECIFICOS:

Aprender a hacer una aleación. Aprender a construir la curva de enfriamiento de una aleación de

plomo- estaño. Identificar el tipo de grano, es decir, la forma, el tamaño y la orientación

de éstos después de la solidificación en las lingoteras. Así también, la ubicación y distribución de deshomogeneidades de composición.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO, MÁQUINAS Y MATERIAL UTILIZADO:

Balanza: Marca: AND GX-30K Vestuario de Protección: Varetas protectoras, Guante y mandiles Microscopio Metalográfico Tijeras Tornillos o Prensa de Banco Pirómetro- termocupla Capacidad: Max 31kg Min:5g

HORNO DE FUNDICIÓN CASERO (UTILIZANDO LADRILLOS REFRACTARIOS)

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CRISOL DE ARCILLA – BÓRAX

SOLDADURA OXIACETILÉNICA - LINGOTERA TUBULAR

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PROCEDIMIENTO:

Para la elaboración de las curvas de enfriamiento:1. Primero pesamos las cantidades de plomo y estaño a utilizar. En

este caso, realizamos la aleación con 38% de plomo y 62% de estaño. Debido a que queríamos obtener 300g en total de la aleación, utilizamos 186g de estaño y 114 g de plomo.

2. Luego, en un crisol de arcilla, calentamos el plomo, por ser el material con mayor punto de fusión (327°C) hasta una temperatura mayor a la del punto de fusión.

3. A continuación, agregamos el estaño y esperamos hasta que se combine con el plomo.

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4. Una vez que todo se encuentre en estado líquido, se retira el crisol del fuego e introducimos el pirómetro para controlar el cambio de temperatura en la muestra.

5. Con ayuda de un cronómetro, registramos la temperatura minuto a minuto para posteriormente realizar la gráfica correspondiente.

RESULTADO DEL ENSAYO:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 250

50

100

150

200

250

300

Temperatura vs Tiempo de Estaño(62%)-Plomo(38%)

Tiempo (s)

Tem

pera

tura

(°C)

CÁLCULOS:

Tiempo (s)

Temperatura (°C)

0 276

1 264

2 250

3 235

4 222

5 209

6 203

7 202

8 199

9 195

10 189

7

11 184

12 177

13 173

14 172

15 167

16 156

17 146

18 139

19 131

20 125

21 119

22 114

23 109

24 104

OBSERVACIONES:

Para el la elaboración de la curva de enfriamiento, notamos que, luego de retirar la aleación del crisol, la aleación presentaba un color amarillo. Esto puede ser ocasionado por la oxidación del material.

CONCLUSIONES:

Pesamos cuidadosamente los componentes de la aleación 186 gr de estaño y 114 gr de plomo.

En el laboratorio de solidificación concluimos que la aleación del lingote de estaño-plomo se convierte de líquido a una temperatura de 327°C.

Al momento de solidificarse el lingote podemos observar cómo se forma los defectos entre ellos el rechupe que consiste en un hundimiento en el centro del lingote.

Registramos los tiempos de la solidificación del lingote hasta donde se mantiene para realizar la curva de enfriamiento esto gracias a una termocupla.

Al momento de cortar el lingote para ver el defecto, utilizamos una cierra todo esto hasta cortar dicho lingote a la mitad

PREGUNTAS:

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1.- DESCRIBA LAS PARTES DE UNA CURVA DE ENFRIAMIENTO DE UNA ALEACIÓN ISOMORFA Y COMENTE CADA UNA DE ELLAS. GRAFIQUE

Los sistemas isomorfos solidifican en un intervalo de temperaturas, a diferencia de los componentes puros que presentan una meseta horizontal.

Los cambios de pendiente de la curva de enfriamiento marcan las temperaturas liquidus y solidus, es decir, el comienzo y el fin de la solidificación.

El intervalo de solidificación toma distintos valores de acuerdo a la concentración de los componentes de la aleación

Zona Liquida: es la zona del diagrama donde la aleación aparece como una disolución liquida, es la zona por encima de la línea liquida.

Zona Solida: zona del diagrama donde la aleación presenta una fase sólida, es la zona por debajo de la línea sólida.

Zona Bifásica: Es la zona del diagrama que representa el conjunto de estados para los que la aleación se presentan dos fases, comprendida entre sólido y líquido a diferentes proporciones y o con diferentes composiciones según la temperatura

Lina Liquida: es la curva de XY por arriba, es la curva que agrupa todas los estados en transición de líquido a sólido, para una composición determinada, la línea liquida indica la temperatura, que al ser traspasado, marca la aparición de del primer cristal sólido.

Lina Solida: es la curva de XY por abajo, es la curva que agrupa todas los estados en transición de sólido a líquido, para una composición determinada, la línea solida indica la temperatura, que al ser traspasado, marca la aparición de del primera gota de fracción liquida.

Punto X: Temperatura de fusión del elemento A

Punto Y: Temperatura de fusión del elemento B

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2.- DESCRIBA, PASO A PASO, EL PROCESO BÁSICO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UN DIAGRAMA DE FASES ISOMORFO A PARTIR DE CURVAS DE ENFRIAMIENTO. ASUMA 4 A 5 CURVAS CON DIFERENTES PORCENTAJES DE ALEANTES.

La solidificación de una aleación ocurre a un rango de temperaturas dependiendo de la composición de la aleación, entonces para hacer un diagrama de faces, se debe hacer primero varias curvas de enfriamientos temperatura versus tiempo a diferentes composiciones de una aleación.

Luego se quita el tiempo y se agrega el porcentaje de composición en el eje de las abscisas.

3.- DESCRIBA EL PROCESO DE SOLIDIFICACIÓN DE LAS ALEACIONES C3 Y C4 DEL DIAGRAMA PB-SN

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C3:

Este caso implica la solidificación de una aleación con composición eutéctica. Esto corresponde a 61.9% en peso de estaño. Se considera entonces que esta aleación se enfría desde la fase líquida (punto h en la figura 1) siguiendo la línea vertical yy’. A medida que desciende la temperatura, no ocurren cambios hasta que se alcanza la temperatura eutéctica (183°C). Al cruzar la isoterma eutéctica (punto i), el líquido se transforma en las fases α y β mediante la siguiente ecuación (reacción eutéctica): L α + β

Figura 1. Representación de las microestructuras en equilibrio del sistema Pb-Sn de composición C3.

En esta reacción, el líquido tendrá 61.9%wt Sn y las composiciones de los sólidos α y β quedan definidos por los puntos extremos de la isoterma eutéctica (18.3%wt Sn para el sólido α y 97.8%wt Sn para el sólido β). Las tres fases (líquido, α y β) coexistirán en equilibrio hasta finalizar la solidificación.

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Durante la transformación eutéctica, es necesario que se genere una redistribución del plomo y del estaño, desde la fase líquida hacia los sólidos α y β. Esto se debe a que las composiciones de cada una de las tres fases son diferentes. Esta redistribución se muestra en la Figura2. Como consecuencia, la microestructura del sólido resultante (denominada estructura eutéctica) consta de láminas alternadas se sólido α y sólido β, que se forman simultáneamente durante la transformación. El proceso de redistribución del plomo y del estaño ocurre por difusión en el líquido, justamente en la interfase eutéctico/líquido. Las flechas indican las direcciones de difusión de los átomos de Pb y Sn. Lógicamente, el Pb difunde hacia las regiones de sólido α, ya que ésta es más rica en plomo. Análogamente, el Sn difunde hacia las regiones de sólido β, ya que ésta es más rica en estaño.

Un enfriamiento posterior desde la isoterma eutéctica hasta la temperatura ambiente conducirá a cambios menores en la microestructura de la aleación. Estos cambios menores, ya sea en las composiciones de los sólidos α y β como las cantidades relativas de cada uno, queda determinado por la línea solvus del extremo rico en plomo, la línea solvus del extremo rico en estaño y la regla de la palanca inversa, como ya se explicó.

Figura 2: Formación de la estructura eutéctica para el sistema Pb-Sn.

C4:

Este ejemplo representa a cualquier composición que varía entre el límite de solubilidad sólida máxima a la temperatura eutéctica y la composición

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eutéctica. Al disminuir la temperatura, se desciende por la línea zz’ (Figura 3), comenzando en el punto j. El desarrollo de las microestructuras entre los puntos j y l es similar al del caso 2, de forma tal que antes de cruzar la isoterma eutéctica (punto l) están presentes sólido α y líquido con composiciones 18.3%wt Sn y 61.9%wt Sn, respectivamente. Estas composiciones se determinan a partir de la isoterma correspondiente al punto l, y sus intersecciones con las líneas solidus y liquidus. A medida que la temperatura desciende justo por abajo de la eutéctica, la fase líquida, que tiene la composición eutéctica, se transformará a la estructura eutéctica (es decir, láminas alternadas de α y β).

Figura 3. Representación de las microestructuras en equilibrio del sistema Pb-Sn de composición C4.

La fase α que se formó durante el enfriamiento a través de la región (α + L) tendrá cambios microestructurales insignificantes. Para diferenciar, el sólido α que se formó durante el enfriamiento a través de campo de fases (α + L) se denomina α primariay la que se encuentra en la estructura eutéctica se denomina α eutéctica.

4.- QUÉ ES UNA TERMOCUPLA? DESCRIBA SU FUNCIONAMIENTO, CLASIFICACIÓN Y MATERIALES QUE SE USAN PARA SU CONSTRUCCIÓN.

Las termocuplas son el sensor de temperatura, más común utilizado industrialmente, compuestos por 2 metales distintos que se encuentran a distintas temperaturas, una de referencia y la otra desconocida.

Funcionamiento de una Termocupla: El funcionamiento de una termocupla se basa en que un termoelemento (termopar) genera una tensión eléctrica proporcional a la temperatura a la cual es expuesta la punta (unión) del termopar.

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La tensión eléctrica depende además de la temperatura también del tipo de termocupla y es de aproximadamente 0 a 55 mV. Esta señal se transmite a un cable compensador a un equipo indicador y/o procesador. El rango de temperatura es de -100° C hasta + 1700 °C.

El circuito termopar está basado en el efecto Seebeck. Dos conductores diferentes están unidos en el punto en donde se quiere medir la temperatura (unión sensora) y termina en un punto en donde ambos terminales están a la misma temperatura, que debe ser conocida (unión de referencia).

La temperatura de la unión de referencia puede ser cualquier temperatura, sin embargo, dado que la mayoría de las tablas están hechas tomando la temperatura de la juntura fría como 0°C, si la temperatura de referencia difiere de este valor es necesario realizar una corrección en la medida.

Clasificación y materiales utilizados:

Existen una infinidad de tipos de termocuplas, en la tabla aparecen algunas de las más comunes, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas son del tipo J o del tipo K.

Las termocuplas tipo J se usan principalmente en la industria del plástico, goma (extrusión e inyección) y fundición de metales a bajas temperaturas (Zamac, Aluminio).

La termocupla K se usa típicamente en fundición y hornos a temperaturas menores de 1300 °C, por ejemplo fundición de cobre y hornos de tratamientos térmicos.

Las termocuplas R, S, B se usan casi exclusivamente en la industria siderúrgica (fundición de acero)

Finalmente la tipo T eran usadas hace algún tiempo en la industria de alimentos, pero han sido desplazadas en esta aplicación por los Pt100.

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5 .- DESCRIBA LOS MATERIALES UTILIZADOS EN EL LABORATORIO PARA CONSTRUIR LA CURVA DE ENFRIAMIENTO Y LINGOTES.

Balanza: Marca: AND GX-30K Capacidad: Max 31kg Min:5g

Vestuario de Protección: Varetas protectoras, Guante y mandiles Microscopio Metalográfico Tijeras Tornillos o Prensa de Banco Pirómetro- termocupla

Horno de fundición casero (utilizando ladrillos refractarios)

Crisol de arcilla – bórax

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Soldadura oxiacetilénica - lingotera tubular

6.- DIBUJE LA ESTRUCTURA DE UN LINGOTE Y SEÑALE LAS DIFERENTES ZONAS O COMPONENTES QUE SE FORMAN.

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7.- DE QUÉ DEPENDE LA EXTENSIÓN DE LA ZONA “CHILL”?

La extensión de la zona chill depende de las varias condiciones tales como:

a. Material del molde b. Temperatura del líquido al verterlo en el moldec. Temperatura del molde d. Conductividad térmica del molde

Cuando el líquido está sobrecalentado y las paredes del molde están frías, la zona chill será estrecha. Por el contrario, si el líquido es vaciado al molde a una temperatura levemente superior a la de solidificación, habrá una zona más amplia de líquido sobreenfriado produciéndose más nucleación y, por lo tanto, la zona chill será más ancha. De aquí podemos deducir que: la zona chill decrece con la mayor temperatura del metal líquido (sobrecalentamiento) y con el precalentamiento del molde; si estas condiciones de temperatura se extreman, la zona chill puede hacerse imperceptible.

8.- ¿CÓMO SE FORMA LA ZONA COLUMNAR EN UN LINGOTE, PORQUÉ PRODUCE “ANISOTROPÍA”?

La zona columnar se forma por granos que se encuentran en la superficie del molde o cerca del mismo, granos de la zona chill. Estos granos crecen hacia el centro del lingote, puesto que están orientados favorablemente para el crecimiento rápido, como se muestra en la figura. Los granos columnares crecen en longitud como en el tamaño de su diámetro, puesto que los bordes de grano recogen impurezas.

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La existencia de una zona columnar produce orientaciones preferenciales de los cristales en el lingote y por consiguiente produce anisotropía de las propiedades mecánicas, lo que hace indispensable la deformación plástica posterior.

9.- MENCIONE LOS DEFECTOS FRECUENTES DE LA ETAPA DE FUSIÓN Y SOLIDIFICACIÓN. DESCRIBA DOS DE ELLOS.

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 sido llenados por más metal líquido).

10.- DE QUÉ DEPENDE LA CALIDAD DE UN LINGOTE PARA SU POSTERIOR CONFORMADO PLÁSTICO:

La calidad de un lingote para su posterior conformado plástico depende de dos características principales:

El tipo de grano, es decir, la forma, el tamaño y la orientación de éstos.

La ubicación y distribución de deshomogeneidades de composición.

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BIBLIOGRAFÍA:

http://www.arian.cl/downloads/nt-002.pdf

http://www.slideshare.net/blacksaturn/termocupla

http://moodle.upc.edu.pe/course/view.php?id=16162