1. SOLIDIFICACIN Profesor: Waldo Balarezo Fernndez1.1. IntroduccinEn general, los productos metlicos se originan en una primera etapa en estado lquido, luego del cual se pasa al estado slido mediante moldes o por colada continua. El proceso de solidificacin es determinante para la calidad del producto final, porque si el material queda defectuoso en esta etapa, ser muy difcil efectuar las correcciones en el procesamiento posterior. Defectos frecuentes de la etapa de fusin y solidificacin son: porosidades microgrietas inclusiones no metlicas segregacin de elementos de aleacin formas de granos muy heterogneas (por ejemplo: granos muy alargados y granos pequeos) rechupes, (huecos debidos a la contraccin del metal lquido al solidificarse y que no han sido llenados por ms metal lquido).

La obtencin de un producto sano por solidificacin no es simple y requiere un profundo conocimiento acerca de la relacin entre diferentes variables que veremos en este captulo. 1. SOLIDIFICACIN 1.7 Estructuras caractersticas de lingotes Los lingotes nunca son usados directamente en aplicaciones comerciales, es decir, son productos intermedios, destinados a ser transformados en otros productos, mediante deformacin plstica, tales como: barras, tubos, planchas, alambres y perfiles. Los procesos usuales para obtener estos productos son: Laminado en caliente y en fro Forja Extrusin Trefilacin. La calidad de un lingote para su posterior conformado plstico depende de dos caractersticas principales: El tipo de grano, es decir, la forma, el tamao y la orientacin de stos. La ubicacin y distribucin de deshomogeneidades de composicin.

En la estructura del lingote, Figura 1.7-1, pueden distinguirse tres zonas, dependiendo del tipo de grano que se ha desarrollado durante el enfriamiento y su ubicacin, como son:a. Zona Chill b. Zona Columnar c. Zona de Granos Equiaxiales d. Zona Chill Corresponde a una zona de enfriamiento rpido. sta se forma en la superficie del molde debido al gran sobreenfriamiento que sufre el metal lquido al entrar en contacto con el molde fro. Debido a esto la nucleacin ser heterognea y su velocidad rpida, produciendo una abundante nucleacin de cristales pequeos ms o menos equiaxiales y de crecimiento dendrtico. La extensin de la zona chill depende de las varias condiciones tales como: e. Material del molde f. Temperatura del lquido al verterlo en el molde g. Temperatura del molde h. Conductividad trmica del molde Cuando el lquido est sobrecalentado y las paredes del molde estn fras, la zona chill ser estrecha, pero si el lquido es vaciado al molde a una temperatura levemente superior a la de solidificacin, habr una zona ms amplia de lquido sobreenfriado producindose ms nucleacin, y por lo tanto, la zona chill ser ms ancha. De aqu podemos deducir que: la zona chill decrece con la mayor temperatura del metal lquido (sobrecalentamiento) y con el precalentamiento del molde; si estas condiciones de temperatura se extreman, la zona chill puede hacerse imperceptible. i. Zona Columnar

Se origina en aquellos granos de la zona chill, continuando su crecimiento hacia el centro del lingote, pues estn favorablemente orientados para crecimiento rpido, como se muestra en la Figura 1.7-2. En metales FCC y BCC las direcciones de crecimiento rpido de las dendritas son las de la familia ; se desarrollarn ms aquellos granos con direcciones de crecimiento rpido paralelas a la direccin de extraccin de calor. La existencia de una zona columnar produce orientaciones preferenciales de los cristales en el lingote y por consiguiente produce anisotropa de las propiedades mecnicas, lo que hace indispensable la deformacin plstica posterior. Es importante destacar que el crecimiento de los granos columnares no es slo en su longitud, sino tambin segn su dimetro y que los bordes de grano recogen impurezas. Zona central de granos equiaxiales El lquido de la regin central puede sobreenfriarse tanto por efectos trmicos as como por sobreenfriamiento constitucional; de esta manera se desarrolla una zona central de granos equiaxiales. En las aleaciones es importante el SEC, pues promueve el desarrollo de la zona equiaxial central. Este sobreenfriamiento se produce cerca del centro del lingote debido a que: Algunos cristales formados en la zona chill son barridos desde las paredes del molde por corrientes de conveccin hacia el interior del lingote. Si la temperatura de vaciado del lquido es baja estos cristales no sern completamente refundidos y servirn como cristales-semillas en la parte central del lingote. En aleaciones la dendritas celulares de la zona columnar crecen con una gradiente de concentracin. Las desomogeneidades qumicas permiten que algunos brazos secundarios o terciarios de las dendritas se separen de la rama principal y sean barridos hacia el centro del lingote por corrientes de conveccin.

1. Existe una tercera posible forma de generacin de la zona equiaxial, la cual seala que esta zona se puede formar por la precipitacin de pequeos cristales desde la cara superior del lingote donde el lquido ha sido emfriado por prdidas de calor por radiacin.

La Figura 1.7-4 muestra diferentes lingotes de una aleacin cobre-aluminio de distinto grado de pureza, en los cuales se observa que la proporcin de granos columnares se reduce considerablemente respecto a los granos equiaxiales: con menor sobrecalentamiento del lquido y con mayor nivel de soluto de cobre en el de aluminio, estas condiciones producen un refinamiento de los granos del lingote. El menor sobrecalentamiento implica un gradiente menor de temperatura en el lquido que es enfriado, por tanto la nucleacin de granos slidos se inicia en todas partes del lingote, logrndose as un grano final ms fino. Con mayor nivel de soluto de Cu la diferencia entre T0 y Ti, Figura 1.6-2 (b), es mayor y una regin ms amplia queda con sobreenfriamiento constitucional, esto incrementa la zona de nucleacin simultnea produciendo as un refinamiento del grano. Para disminuir o eliminar la zona columnar en la colada continua se ha ensayado la aplicacin de un campo magntico que agite el lquido, y que por ende quiebre los brazos dendrticos y forme nuevos ncleos. La segregacin de soluto puede an llevar a la formacin de segundas fases en aleaciones que en s son monofsicas, ejemplo de esto se ve en la Figura 1.7-5 (a), en una aleacin Cu-5%at Sn; la segunda fase puede ser eliminada mediante un recocido de homogenizacin, Figura 1.7-5 (b), pero este proceso es caro porque se efecta a alta temperatura y por tiempo prolongado.