Características de los procesos de manufactura Ejercicio: # 2

...

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).

La obtención de un producto sano por solidificación no es simple y requiere un profundo conocimiento acerca de la relación entre diferentes variables.

Nucleación

La transformación de líquido a sólido ocurre en dos etapas. La primera, es la nucleación de la fase sólida en la fase líquida, donde se genera una superficie sólido-líquido que tiene una energía de superficie (energía por unidad de superficie) y, la segunda, se refiere al crecimiento de estos núcleos a medida que desciende la temperatura. Por lo tanto, durante la solidificación coexisten ambas fases, sólida y líquida.

La relación entre las velocidades de nucleación y crecimiento determinará la forma y el tamaño de los granos del sólido resultante

Crecimiento de los núcleos

Una vez formados los núcleos, un cierto número de ellos crecerá. El crecimiento depende del cambio de energía libre, ( Gs), que ocurre en la interfase cuando un número NA de átomos se agrega como una nueva capa a los N átomos que ya pertenecen al sólido. Gs es función de los siguientes parámetros o variables:

δ Gs = f ( δ Sf , g ( NA , N ), TE ) (3)

donde:

δ Sf = entropía de fusión del material TE = temperatura de la transformación (K) g ( NA , N ) = factor de probabilidad

Crecimiento estable e inestable de cristales metálicos

La forma de crecimiento de un sólido en un líquido depende del gradiente de temperatura delante de la interfase sólido-líquido, (S-L). Como se señaló anteriormente, para producir solidificación es necesario sobreenfriar el líquido bajo la temperatura de fusión Tf ; al formarse una cierta cantidad de sólido se expulsa calor latente el cual eleva la temperatura de la interfase S-L

Redistribución del soluto en la solidificación de aleaciones

Dependiendo de la velocidad de enfriamiento se presentan dos tipos de solidificación:

Si la solidificación es extraordinariamente lenta, ésta ocurre según el diagrama de equilibrio de fases.

En la práctica la velocidad de enfriamiento es mayor a la ideal y por ello se produce una distribución inhomogénea del soluto en el sólido, esto es conocido como segregación.

Solidificación de aleaciones. Inestabilidad en la interfase sólido-líquido

Para este análisis usemos un modelo simplificado de solidificación unidireccional, ver Figura 1.6-1 y Figura 1.6-2. Supongamos una aleación de composición C0, el primer sólido que solidifica tiene una composición Cs 0 y rechaza soluto a la interfase, enriqueciendo la fase líquida.

[pic 2]

Consideremos que la fase sólida avanza en un molde estrecho con una velocidad de crecimiento controlada por la velocidad de extracción de calor desde el extremo sólido. El rechazo del soluto hacia el líquido y el gradiente de temperatura existente en la interface están expresados esquemáti-camente en la Figura 1.6-1 (b). Al continuar la solidificación, el sólido se enriquece en soluto, pero sigue conteniendo menos soluto que C0, por tanto continua expulsando soluto al líquido. Llega un instante en que el sólido alcanza la composición C0 y la solidificación continua a T = Ti, el exceso de soluto se acumula en la interface S-L.

El soluto rechazado intenta redistribuirse en el líquido por difusión lejos de la interface, pero a menos que la velocidad de crecimiento del cristal sea extremadamente lenta lograremos un gradiente de concentración bastante pronunciado en la interface, ver Figura 1.6-2 (a).

[pic 3]

Características de la solidificación

Relación con la capacidad del proceso

De qué forma estas ayudan al control de calidad del proceso

En estado de solidificación el producto puede estar acabado

Al tener una pieza completa de “X” material en estado sólido, esta resulta más fácil de manipular

En el estado final el producto se puede evaluar en base a estándares y decidir si pasa al siguiente punto del proceso

Se requiere que el compuesto liquido sea igual para que en el momento de solidificarse no se comporte de la misma forma

Menos variación en la etapa de solidificación

Al estandarizar esta mezcla del compuesto liquido garantizamos un producto final igual que el anterior

Se debe verter en un molde con condiciones óptimas para su acabado

Si no está en el estándar adecuado arruinara el producto final ocasionando reproceso o desperdicio

Si usamos el molde adecuado y en condiciones de estándar no reprocesaremos ni retrabajaremos

- Responde a la siguiente cuestión:

¿Cómo crees que se realicen las mediciones físicas en un producto solidificado para determinar la capacidad del proceso?

De acuerdo a los defectos que se presentan se realizan diferentes procedimientos para analizar el producto como se muestra a continuación.

Defectos comunes en un proceso de solidificación aplicados a la fundición y moldeado de piezas con metales fundidos

a) Sopladuras. Este defecto es