2 do laboratorio de metalurgia física i

METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

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2DO LABORATORIO DE METALURGIA FÍSICA I

I. TÍTULO:

SOLIDIFICACIÓN DE UN LINGOTE DE ALUMINIO Y ALEACION

ALUMINIO-SILICIO

II. OBJETIVOS:

Estudiar el proceso de solidificación de un lingote y sus estructuras

características de las zonas de solidificación.

Estudiar y caracterizar los defectos de solidificación: Segregación, inclusiones,

contracción (rechupe).

Evaluar el porcentaje de contracción del lingote en estudio.

III. FUNDAMENTO TEÓRICO:

SOLIDIFICACIÓN: Es el proceso del paso de un metal o aleación liquida a solida.

La solidificación es un proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia de

líquido a sólido producido por una disminución en la temperatura. Es el proceso inverso a la

fusión.

TIPOS: Existen dos tipos de solidificación:

1.-Solidificación homogenea: El núcleo tiene forma de esfera.

2.-solidificacion heterogenea: El núcleo tiene la forma de un casquete esférico.

NUCLEACION: Los cambios estructurales en sistemas metálicos y aleaciones se

efectúa por nucleación; esto implica un cambio de estado de energía libre, cuando se

nuclea la fase nueva se forma generalmente una discontinuidad de la fase matriz,

como limites de grano dislocaciones.

METAL 100%

LÍQUIDO

FORMACION

DEL NÙCLEO

SOLIDO

FIGURA: Formación de núcleo sólido en el interior de un molde

http://es.wikipedia.org/wiki/Fen%C3%B3meno_f%C3%ADsico

http://es.wikipedia.org/wiki/Cambio_de_estado

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquido

http://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3lido

http://es.wikipedia.org/wiki/Fusi%C3%B3n_(cambio_de_estado)



2

TIPOS DE NUCLEACIÓN:

NUCLEACIÓN HOMOGENEA: El núcleo tiene la forma de una esfera. Aquí La fase nueva

se forma uniformemente en todo el volumen de la fase madre y tiene la forma de una

esfera (la nueva fase se forma en todo el volumen de la matriz).

EJEMPLO: Solidificación del Al puro agregándole Ti/B (afinador de grano), el núcleo

adquiere la forma de una esfera.

La nucleación homogénea requiere de fluctuaciones que produzcan partículas

suficientemente grandes para que el radio del núcleo sea mayor que el radio crítico.

GRAFICA: Curva de

enfriamiento para un

tiempo “t” en un metal

puro homogéneo.

Para que exista soli-

dificación tiene que

existir un sobreenfria-

miento.

-La nucleación homogénea es la generación de un núcleo sólido a partir de un sector

enteramente líquido. En este caso, la formación de núcleos requiere un cierto gasto energético

por concepto de generar un volumen y una superficie:

ΔG= Energía libre total.

σ= Energía libre superficial.

ΔGv= Energía libre volumétrica. (Negativa).

r= Radio de la partícula.

FIGURA: forma típica del crecimiento de un núcleo homogéneo .

ΔG = 4/3π r3 ΔGv + 4 π r2 σ



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LECTURA DE LA GRÁFICA:

-La curva de energía presenta un

máximo en un radio , como se

muestra en la figura. Los núcleos

que posean un radio mayor a

podrán crecer, ya que por sobre

la curva es decreciente con ;

por el contrario, los núcleos de

radio menor que , tenderán a

desaparecer, pues entre 0 y la

curva es creciente con . Por

esta razón, los núcleos de radio

menor a son llamado

embriones.

RELACIONANDO NUESTRAS VARIABLES:

rn < rc ; s > v = + (núcleo es inestable: no crece y se disuelve en el líquido)

rn > rc ; s < v = - (el núcleo es estable y crece)

NUCLEACIÓN HETEROGÉNEA: La nucleación heterogénea consiste en la formación de

núcleos en zonas donde ya existe superficie sólida, por ejemplo, en paredes de molde o en el

borde de partículas sólidas introducidas en el metal fundido. La preexistencia de una superficie

sólida ayuda a la nucleación, puesto que ofrece una cantidad de superficie que permite que el

gasto energético de solidificación sea menor.

FIGURA: esquema de nucleación heterogénea a partir

de una impureza.

El ángulo : Relación entre el metal y la superficie sólida preexistente.



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-En la nucleación heterogénea el radio crítico de nucleación es idéntico al radio crítico de

nucleación homogénea. La gran diferencia estriba en que, por el hecho de existir una

superficie previa, la energía requerida para alcanzar dicho radio es menor, en consecuencia el

subenfriamiento puede también ser menor. Se ve del esquema que, para obtener un radio de

nucleación , el metal líquido utiliza un volumen mucho menor cuando está ayudado por una

superficie preexistente que cuando debe generarse espontáneamente a partir del líquido. Una

ilustración de la diferencia entre ambos tipos de nucleación se muestra en la siguiente figura:

Figura: Diferencia energética entre nucleaciones homogénea y hete-rogénea.

-Las impurezas en el liquido proporcionan a menudo los sitios fáciles de nucleación,

por esta razón se agrega a menudo inoculantes para aumentar el número de núcleos y

por lo tanto para reducir el tamaño de grano.

En la nucleación heterogéneo, el comienzo del embrión es en forma de un casquillo

(media esfera), que por lo regular se forma en las paredes del molde o del recipiente

que los contiene:



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-En la práctica, para los metales y para la mayoría de otros líquidos, excepto los que

forman vidrios, el fenómeno de nucleación se sucede a subenfriamientos (∆T)que

generalmente son pequeños, al comparárselos con los que predice la teoría para

nucleación homogénea, ≈ 0.98 Tf.

FIGURA: Curva de enfriamiento para

un metal puro heterogéneo.

Se verifica que en situaciones normales no se necesita altos grados de subenfriamiento

(0.1-10ºC).Se introducen impurezas (paredes del contenedor, partículas suspendidas

en el líquido) para:

a) Disminuir el número de átomos necesarios que formen un núcleo con r>rc.

b) Proporcionar superficies adicionales donde se puedan formar los núcleos sólidos.

*En gran parte de los procesos metalúrgicos, la nucleación ocurre de manera

heterogénea en las paredes de un molde; y este molde puede ser límite de grano o

molde propiamente dicho. La nucleación homogénea es más difícil que ocurra, pues se

requieren agentes nucleantes.

ADICIÓN DE IMPUREZAS EN PROCESO DE SOLIDIFICACION: La adición de impurezas

como elementos nucleantes es una técnica utilizada para obtener mayor

homogeneidad en la estructura del metal solidificado. Al agregar partículas que sirvan

de nucleantes, se puede producir a solidificación a subenfriamientos menores y evitar

que la formación y el crecimiento de granos sean mayoritariamente a partir de las

paredes del molde, cuestión que resulta en estructuras de comportamiento



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anisotrópico. Para que un nucleante (creador de centros de nucleación) sea efectivo

debe, sin embargo, cumplir ciertas características base, como:

Debe tener una temperatura de fusión mayor que la del metal o aleación que

se está solidificando. De lo contrario, con el metal sobrecalentado las partículas se

fundirían y no serían capaces de ofrecer superficies sólidas.

Debe tener una alta entropía de cambio de fase (fusión), con el mismo objetivo.

Debe poseer una alta mojabilidad, es decir, un ángulo de mojado con el metal

líquido que sea cercano a cero.

FIGURA: Formación de un núcleo sólido

producido por la aplicación de un inoculante.

Ejemplo: inoculación Ti/B: crea centros de

nucleación, (granos finos).

CRECIMIENTO: Ocurre luego de que se han agrupado una suficiente cantidad de

átomos para formar una partícula estable que crecerá de acuerdo con las

fluctuaciones térmicas, hasta que el líquido se agote.

Existen dos tipos de crecimiento:

Planar.

Dendrítico.

a. Crecimiento Planar:

Ocurre cuando el gradiente de concentración es positivo; es de decir, la temperatura

por encima de la inter-cara solido-liquido, es mayor a la temperatura de fusión del

metal.

CARACTERISTICAS DEL CRECIMIENTO PLANAR:

- La temperatura del líquido es superior a la Tf y la del sólido es inferior a la Tf.

-El calor latente de fusión se mueve del líquido al sólido.

-La interface sólido-líquido del grano avanza en sentido contrario.

-El crecimiento se detiene cuando las interfaces se alcanzan entre sí.



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Solido Liquido

T

s

Posición →

+

T

Δ

T

a

)

Solido Liquido

T

s

Posición →

+

T

Δ

T

La distribución de temperatura para una solidificación con gradiente positiva se

muestra en la fig.

FIGURA: Gradiente de temperatura pos it ivo en la inter -cara S-L.

Crecimiento facetado:

La intercara facetada (fig.a) desplaza una intercara dentada consistente en planos bien

definidos (facetas), esta yace paralela a la isoterma de la temperatura de solidificación.

Los planos casi siempre forman ángulos con la isoterma Ts.

Crecimiento no facetado:

La fig.b muestra la intercara no facetada que es una cara interplanar que yace paralela

a la isoterma Ts Aquí es importante ΔSf.

MATERIAL ΔSf/R MORFOLOGÍA

Todos los metales

<2 Sin facetas

>2 Con facetas

FIGURA: Morfología

de la intercara

a) Facetado.

b) No facetado.

b



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b. Crecimiento Dendrítico:

Cuando la nucleación es débil, el liquido se subenfría antes de que se forme el sólido.

Bajo estas condiciones, una protuberancia sólida pequeña llamada dendrita se forma y

crea en la interface. Conforme crece la dendrita el calor latente de fusión pasa al

liquido subenfriado, elevando la temperatura de solidificación .En los troncos de las

dendritas primarias también pueden crecer brazos secundarios y terciarios para

acelerar la liberación de calor latente de transformación.

El crecimiento dendrítico continúa hasta que el liquido subenfriado alcanza la

temperatura de solidificación

La diferencia entre el crecimiento dendrítico y el planar ocurre debido a las distintas

formas de disipar el

calor latente de

fusión

FIGURA: crecimiento dendrítico: gradiente negativo

CARACTERISTICAS DEL CRECIMIENTO DENDRITICO:

-El líquido está subenfriado y el sólido está a una temperatura mayor que Tf.

-El calor latente de fusión se mueve del sólido al líquido.



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Gp

TTL

basepunta

-La interface sólido-líquido del grano avanza en el mismo sentido.

-El crecimiento se detiene cuando el líquido llega a su Tf.

La dirección de crecimiento dendrítico depende de la estructura cristalina del metal,

como puede mostrarse en la tabla.

El creciente dendrítico ocurrirá en la solidificación de los metales puros. En los metales

de relativa alta pureza es casi imposible obtener el sobrecalentamiento térmico para

que todo el proceso sea dendrítico.

En los metales puros se requiere un sobrecalentamiento muy grande (del orden de

100°C).

*Longitud de la dendrita: La longitud de las dendritas se encuentra por la siguiente

fórmula:

Donde:

L =Longitud de la dendrita

T punta =Temperatura en la punta (C°)

Gp =Gradiente de temperatura promedio

T base =Temperatura en la base (C°)

TIEMPO DE SOLIDIFICACIÓN: Es la rapidez a la cuál crece el sól ido

dependiendo la forma como se extrae el calor del molde.

DIRECCIÓN DE CRECIMIENTO DENDRITICO

ESTRUCTURAS CRISTALINAS

DIRECCIÓN DE CRECIMIENTO

DENDRITICO

CUBICA CENTRADA EN LAS CARAS < 100 >

CUBICA CENTRADA EN EL CUERPO < 100 >

HEXAGONAL COMPACTA < 1010 >

TETRAGONAL CENTRADA EN EL CUERPO < 110 >



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-La rapidez en la cual crece el sólido depende de la velocidad de

enfriamiento o de la extracción del calor.

Según shorinov:

Donde:

ts = Tiempo de solidificación.

V = Volumen de la fundición.

A = Área de la superficie de la pieza en contacto con el molde.

B = constante de solidificación depende de la temperatura inicial, temperatura del metal y del tipo de molde.

CURVAS DE ENFRIAMIENTO:

A) Para un Metal Puro:

FIGURA:

curva de

enfr iamiento

para un

metal puro

durante la

fundición.

B) PARA UNA ALEACIÓN



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FIGURA: (a) Diagrama de fase para un sistema, de aleación cobre-níquel y (b) curva de

enfriamiento asociada para una composición Ni-Cu 50-50% durante la fundición.

FUNDIDO Y SOLIDIFICACIÓN FINAL EN UN METAL:

Cuando agregamos energía en forma de calor a un metal, este cambia el sistema de fuerzas que libera a los átomos juntos. En consecuencia conforme se agrega calor, los enlaces que unen a los átomos se rompen y los átomos son libres de moverse como un líquido.Cuando solidifica un lingote ocurren tres fases separadas en distintas

características de tamaños y formas cristalinas, llamadas zonas.

ZONA EQUIAXIAL.

ZONA COLUMNAR.

ZONA DE ENFRIAMIENTO RÁPIDO O BRUSCO.

FIGURA: fases de las zonas

solidificadas de un lingote.

ZONA EQUIAXIAL:

No se encuentran en los metales puros dentro del líquido del centro del lingote

generalmente hay muchos pequeños granos equiaxiales suspendidos en todas partes.

a medida que continúa la solidificación, estos pequeños granos empiezan a crecer

juntos hasta que finalmente bloquea en forma efectiva el movimiento hacia adentro

de los granos columnares. este punto se llama “transición de columna a equiaxial”.de

nuevo las intercaras sólido –liquido de estos granos flotantes son dendríticos.

Por medio de un control apropiado es posible obtener granos y totalmente columnares

o totalmente equiaxiales. a fin de obtener una transición de columnar a equiaxial en

un lingote, es evidente que los granos equiaxiales deben: Ser producidos en el centro

del lingote y no fundir en la región central más caliente.



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ZONA COLUMNAR:

Los granos de la zona de enfriamiento rápido tiene intercaras dendríticas. Algunos de

estos granos tendrán sus dendritas perpendicularmente a la pared, mientras que otros

tendrán sus ejes dendríticos en un ángulo con la pared del molde.

Por un proceso de crecimiento competitivo los granos con dendritas perpendiculares a

la pared del molde tienden a presionar a los granos, de modo que la zona columnar

consiste en granos relativamente alargados orientados cristalográficamente con sus

direcciones dendritas paralelas a la dirección del flujo del calor. Los granos columnares

crecen hacia el centro del lingote a lo largo de las direcciones de flujo térmico atrás de

una intercara dendrítica que avanza.

FIGURA: zona equiaxial y zona de dendritas o zona columnar.

ZONA DE ENFRIAMIENTO RÁPIDO O BRUSCO:

La estructura de esta zona consiste en muchos granos pequeños casi equiaxiales, sigue

el contorno del molde consistente en pequeños cristales de tamaños iguales.

Aparentemente la nucleación por lo general se produce a partir de sitios muy

pequeños a lo largo de la pared del molde provocándose esta fina estructura de grano.

Sin embargo esta estructura no crece mucho hacia adentro antes de que emerja la

estructura columnar.

Para el caso de metales puros, cuando se vierte el metal puro en un molde, las paredes

del último, que están a una temperatura mucho más bajo (usualmente temperatura

ambiente) que el líquido enfría rápidamente la capa del líquido con la que están en

contacto. Como resultado, se caerá la temperatura del metal líquido, a una corta

distancia de las paredes del molde, por debajo de la temperatura de solidificación de

equilibrio.



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Debido a la rapidez con la que desciende la temperatura del líquido, resulta

usualmente una considerable magnitud de sobre enfriamiento. Cuando ocurre la

nucleación (de ordinario heterogénea), su velocidad será relativamente rápida,

resultando que el tamaño promedio de grano de este sólido será pequeño.

Debido a que los cristales se forman independientemente, sus orientaciones serán

causales. Finalmente como el crecimiento es limitado por cristales vecinos similares

nucleados a tiempos aproximadamente idénticos, sus zonas serán casi uniformes y su

estructura se dice que es casi equiaxial. Los cristales en la zona de enfriamiento rápido

se desarrollan tanto por nucleación como, por crecimiento. Los núcleos cristalinos se

forman en el líquido y crecen en tamaño hasta que hacen contacto con los cristales

vecinos.

La solidificación es el proceso inverso, el calor que emite el metal fundido debe

disiparse.

La solidificación de metales y aleaciones es un importante proceso industrial ya que la

mayoría de los metales se funden para moldearlos hasta una forma acabada o

semiacabada. En general, la solidificación de un metal o aleación puede dividirse en las

siguientes etapas:

Formación de núcleos estables en el fundido (nucleación).

Crecimiento del núcleo hasta dar origen a cristales.

La formación de granos y estructura granular.

CUADRO COMPARATIVO ENTRE LA ESTRUCTURA FINAL DE UNA ALEACION Y METAL PURO:

ESTRUCTURA FINAL

PARA UNA ALEACIÓN: PARA UN METAL PURO:



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PROPIEDADES MECANICAS DE PIEZAS FUNDIDAS:

Las propiedades mecánicas pueden ser controladas, por la adición de átomos

sustitucional e intersticial, los cuales interfieren en el movimiento o deslizamiento de

las dislocaciones.

Las propiedades mecánicas del aluminio más interesantes son: su débil resistencia

mecánica, y su gran ductilidad y maleabilidad, que permite forjarlo, trefilarlo en hilos

delgadísimos y laminarlo en láminas o panes tan finos como los del oro, hasta de un

espesor de 0,0004 mm (0,4 micras). A la temperatura de 500ºC se vuelve frágil y se

puede pulverizar fácilmente. Controlando el proceso de solidificación podemos

obtener buenas propiedades como:

Ductil idad:

En la solidificación, un metal deformado se lleva a una temperatura de recocido

entonces mientras tenga mayor porcentaje de deformación habrá elevados centros de

nucleación y alta velocidad de nucleación por lo tanto el tamaño del grano será más

fino y el material será más dúctil.

DEFECTOS DE SOLIDIFICACIÓN:

a. SEGREGACIÓN:

Los líquidos que han solidificado para formar aleaciones industriales, contienen

muchos elementos de impureza. Cuando solidifica una aleación, es que los elementos

de soluto presentan como elementos de aleación o como impurezas son más solubles

en estado liquido que en el estado sólido, este hecho conduce a una segregación en la

fundición terminada. La segregación de un soluto debido a una segregación dendrítica

puede ser eliminada mediante un tratamiento térmico conocido como recocido de

homogeneización.

En la composición no uniforme producida por la solidificación fuera de equilibrio, la

segregación también es conocida como segregación interdendrítica, o

microsegregación y algunas veces como segregación central la cual ocurre en cortas

distancias entre los pequeños brazos dendríticos.

En las aleaciones que forman soluciones sólidas, los primeros núcleos dendríticos son

más ricos en elementos de punto de fusión más elevados que las capas sucesivas

formadas a menor temperatura y esta diferencia en la composición del centro al borde

una dendrita puede subsistir si el intercambio atómico y la difusión se produce



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lentamente. Con enfriamiento rápido los elementos disueltos son atrapados

prontamente entre las dendritas, y en estas condiciones la estructura no es peligrosa

porque las dendritas están bien distribuidas y se pueden romper con facilidad durante

el trabajo en caliente.

Cuando el acero líquido, que es un material complejo solidifica en el molde, hay

invariable, cierta segregación o dispersión desigual de los elementos o componentes

que produce alguna especie.

b. CONTRACCIÓN

La contracción ocurre en tres etapas. Uno de los problemas más importantes en el

proceso de fundición son los de la contracción. La cantidad de contracción que ocurre

varía según el material que se funde, pero también está influenciado por el

procedimiento y técnicas de fundición.

Las tres etapas de contracción que ocurre conforme disminuye la temperatura, desde

la temperatura de fundido hasta la temperatura de ambiente normal, se ilustra en el

siguiente gráfico.

FIGURA: Contracción de una fundición cilíndrica durante la solidificación y

enfriamiento: (0) niveles iniciales inmediatamente después del vaciado; (1) reducción

del nivel causada por la contracción del líquido en el enfriamiento; (2) reducción de la

altura y formación de la bolsa de contracción; y (3) reducción posterior de la altura y

diámetro debida a la contracción térmica durante el enfriado del metal sólido.



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c. RECHUPE

Se presenta cuando la superficie se enfría más lentamente que las otras. En cualquiera

de estos casos la fundición es defectuosa; estos defectos se detectan por tener una

cavidad áspera. Para eliminar los rechupes es necesario utilizar alimentadores,

mazarota, montante o risers. Para esto es necesario que la solidificación sea

direccional primero solidifique la pieza luego el neck o cuello y finalmente la mazarota.

d. POROSIDAD

La porosidad de una fundición puede amplificarse por la evolución de gas antes y

durante la solidificación. El gas puede formar bolsas o burbujas o puede entrar en los

vacíos de micro porosidad para alargarlos. Se detecta estos defectos por ser brillantes

en su cavidad.



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PROPIEDADES DE LA ALEACIÓN AL-SI: RESISTENCIA Y

EXPANSIÓN TÉRMICA

Como sabemos, la aleación de aluminio 4032 posee en su composición un elevado %

de silicio; en concreto su composición es de un 11% de silicio y un 1% de Fe, Cu, Mg y

W. Este añadido provoca unas buenas propiedades de moldeo, soldabilidad y

resistencia a la corrosión, incluso en ambientes marinos. En general, estas aleaciones

son más resistentes y dúctiles que las aleaciones de Al-Cu. Esto se debe a la micro

estructura. El sistema binario Al-Si forma un eutéctico a 577ºC y una composición del

11.7%, que forma una matriz alfa, aluminio, y una dispersión de fase beta o Si.

FIGURA: Diagrama de fases Aluminio-Silicio.

En las aleaciones de Al con Si, éste aparece a partir de la precipitación de la fase alfa o directamente durante la precipitación a partir del líquido. En los procesos de colada no se alcanza un equilibrio total apareciendo Si libre. Se suele añadir Na o Fe para desplazar el eutéctico a la derecha, 14%, y disminuir su temperatura en una reacción de modificación. Luego el Si precipita de forma dispersa y uniforme en vez de placas alargadas. Al existir numerosos precipitados dispersos se dificulta el desplazamiento de dislocaciones y a su vez de grietas aumentando la resistencia. Además se provoca una disminución del coeficiente de expansión térmica debido a la disminución de grandes límites de granos evitándose así el choque de las deformaciones de dos fases distintas a lo largo de estos.



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Estas aleaciones se utilizan en tratamientos térmicos con precipitación a alta

temperatura. Por esto se utiliza en pistones donde se requieren propiedades de alta

resistencia y choque térmico. También podemos encontrar estas composiciones de

aluminio en la fabricación de turbinas de aviación.

Las aleaciones de ALUMINIO- SILICIO son de gran aplicación por sus excelentes cualidades para la fundición y su resistencia a la corrosión; no son quebradizas en caliente y es fácil obtener con ellas fundiciones sólidas en secciones gruesas o delgadas, la más comúnmente utilizada es la que contiene 5% de silicio, se solidifica normalmente con una gruesa estructura hipereutéctica que se modifica antes de fundirse por la adición de una pequeña cantidad de sodio para darle una estructura fina eutéctica de mayor resistencia mecánica y tenacidad, el contenido de hierro debe ser bajo para evitar la fragilidad. Las aleaciones de aluminio-magnesio son superiores a casi todas las otras aleaciones de fundición de aluminio en cuanto a resistencia, corrosión y maquinabilidad; además de excelentes condiciones de resistencia mecánica y ductilidad. Aleaciones para fundición en moldes permanentes: El empleo mayor se encuentra en los émbolos para motores de combustión; es conveniente que sean ligeros, de baja dilatación térmica y de buenas propiedades a temperaturas elevadas.

FIGURA: pistones fabricados con la aleación Al-Si



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CARACTERISTICAS DEL ALUMINIO

El aluminio es un metal plateado muy ligero. Su masa atómica es 26,9815; tiene un punto de fusión de 660 ºC, un punto de ebullición de 2.467 ºC y una densidad relativa de 2,7. Es un metal muy electropositivo y muy reactivo. Al contacto con el aire se cubre rápidamente con una capa dura y transparente de óxido de aluminio que resiste la posterior acción corrosiva. Por esta razón, los materiales hechos de aluminio no se oxidan. El metal reduce muchos compuestos metálicos a sus metales básicos. Por ejemplo, al calentar termita (una mezcla de óxido de hierro y aluminio en polvo), el aluminio extrae rápidamente el oxígeno del óxido; el calor de la reacción es suficiente para fundir el hierro. Este fenómeno se usa en el proceso Goldschmidt o Termita para soldar hierro.

ALGUNOS USOS DEL ALUMINIO

Un volumen dado de aluminio pesa menos que 1/3 del mismo volumen de acero. Los únicos metales más ligeros son el litio, el berilio y el magnesio. Debido a su elevada proporción resistencia-peso es muy útil para construir aviones, vagones ferroviarios y automóviles, y para otras aplicaciones en las que es importante la movilidad y la conservación de energía. Por su elevada conductividad térmica, el aluminio se emplea en utensilios de cocina y en pistones de motores de combustión interna.

Solamente presenta un 63% de la conductividad eléctrica del cobre para alambres de un tamaño dado, pero pesa menos de la mitad. Un alambre de aluminio de conductividad comparable a un alambre de cobre es más grueso, pero sigue siendo más ligero que el de cobre. El peso tiene mucha importancia en la transmisión de electricidad de alto voltaje a larga distancia, y actualmente se usan conductores de aluminio para transmitir electricidad a 700.000 voltios o más.

El metal es cada vez más importante en arquitectura, tanto con propósitos estructurales como ornamentales. Los perfiles, las contraventanas y las láminas de aluminio constituyen excelentes aislantes. Con el frío, el aluminio se hace más resistente, por lo que se usa a temperaturas criogénicas. El papel de aluminio de 0,018 cm de espesor, actualmente muy utilizado en usos domésticos, protege los alimentos y otros productos perecederos. La resistencia a la corrosión al agua del mar también lo hace útil para fabricar cascos de barco y otros mecanismos acuáticos.

Se puede preparar una amplia gama de aleaciones recubridoras y aleaciones forjadas que proporcionen al metal más fuerza y resistencia a la corrosión a las temperaturas elevadas, algunas de las nuevas aleaciones pueden utilizarse como planchas de blindaje para tanques y otros vehículos militares.



20

IV. MATERIALES Y EQUIPOS:

MATERIALES:

2Kg de Aluminio pistón (Aleación Al-Si).

2Kg de Aluminio puro cortado.

Modelo de madera (tronco de cono circular )

Crisol de acero inoxidable (tronco de cono circular recto y hueco Φ mayor = 20

cm, Φ menor =15cm, h=20cm, espesor = 3/16’’).

Caja de moldeo.

Molde de arena húmeda.

Balanza.

Vernier.

Equipo de cortado (sierra sanflex).

Papeles abrasivos N 150, 320, 400, 600 y 1000), pulido (alúmina).

Reactivo de ataque / químico (en base flúor).

EQUIPOS:

Horno eléctrico de Mufla (1200° C T máxima y 5.5 Kw/h):



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Microscopio metalográfico (Neophot 21):

Cámaras:

V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

Obtener los materiales: 2Kg de aluminio puro cortado y 2Kg de Aluminio pistón

(Aleación Al-Si).



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Preparar una mezcla de arena que contenga aproximadamente 93% de arena

de sílice, 4% de arcilla y 3% de agua (es lo más recomendable).

Colocar esta mezcla en una caja donde se colocará el modelo, voltear la caja,

colocar una segunda caja donde se colocará el modelo de madera.

Sacar el modelo de madera y formar un canal de ataque vertical para el metal

líquido y se espolvorea la superficie del modelo inferior con polvo arena para

impedir que se suelden ambas cajas.



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Una vez construido el molde de arena, se coloca el aluminio puro y el aluminio

silicio en un crisol en el horno de Mufla a una temperatura de 760°C en un

tiempo de 120 minutos aproximadamente.

Con las tenazas, sacar el crisol con el aluminio fundido y verterlo en el molde, para luego enfriarse a temperatura ambiente y obtener el lingote de aluminio.

Tomamos datos de los lingotes (Al puro y Al-Si): peso, diámetro (mayor y

menor) y altura.



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Cortar por la mitad ambos lingotes y observar visualmente los rechupes y

poros.

Obtener una muestra representativa de cada lingote.

Desbastar y pulir con papeles abrasivos: N° 230 – 400 – 600 – 800 -1000.

Observar al microscopio, la microestructura, porosidad, dendritas, tamaño de

grano.



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Se toman las fotomicrografías a diferentes aumentos en el microscopio.

VI. RESULTADOS

Luego de medir las dimensiones de longitud y peso, con vernier y balanza respectivamente, para cada pieza de la forma de un cono truncado, se obtuvo los siguientes datos:

Sean las dimensiones del cono truncado:

Rx = Radio mayor

hx = Altura

rx = Radio menor

x = modelo (m) o lingote de aluminio puro (Al) o lingote de aluminio

pistón (Al -Si).

Material

Altura (cm)

Peso (g)

Densidad (g/cm3)

Modelo 5.087 40 -------

Al 5.02 210 2.69

Al-Si 5.012 215 2.7



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El % de contracción se calcula por:

% contracción solida=

% contracción del Aluminio puro = 1.33%

% contracción del Al – Si = 100

% contracción del Al – Si = 1.50%

Entonces su volumen se calcula por:

V

Rx

hx

rx

% contracción solida =

V

V 82.80



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Calculamos él % contracción o rechupe:

% contracción o rechupe =

Calculo del volumen del rechupe:

=

= 77.78 x 6.45%

(% Concentración o rechupe) =

=

Calculo de la del Aluminio puro:

388.074

MATERIAL CONTRACCION SOLIDA %

CONTRACCION LIQUIDA %

Al 1.33 6.45

Al-Si 1.5 3.59

(% Concentración o rechupe) =

=

= 5.02

% Rechupe = 3.59%



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Fotomicrografías:

a) Fotomicrografía: Aluminio puro fundido a 760 ºC en molde de arena; con tiempo de solidificación de 8.034 seg. Ataque Químico: 95.5% de H2O + 4.5% HF. Tiempo de ataque : 10 se Aumento : 200x DESCRIPCIÓN: Se observa las dendritas que han crecido cuando la intercara de solidificación tiene un gradiente de temperatura negativo, debido a una nucleación heterogénea en el aluminio líquido Subenfriado.

b) Fotomicrografía: Aluminio-silicio fundido a 760ºC en molde arena. Ataque Químico 95.5% de H2O + 4.5% HF. Tiempo de ataque : 10 seg. Aumento : 200x DESCRIPCIÓN: Zonas grises: observamos pequeños cristales de Si; que le dan mejores propiedades mecánicas a la aleación, como resistencia a la dilatación y abrasión. Zonas claras: eutéctica ternaria Al- Si. (Composición: 7%Si, 0.3% Mg) comparado con la norma ASTM-356.

c) Fotomicrografía: Aluminio-

silicio fundido a 760ºC en

molde arena. Ataque Químico

95.5% de H2O + 4.5% HF.

Tiempo de ataque : 10 seg.

Aumento : 50x

DESCRIPCIÓN: Se observa

una aleación ternaria 90.5%Al-

6%Si-3.5%Cu. Las partes claras

son eutéctica ternaria, las

zonas oscuras en forma de

aguja son zonas dendríticas.



29

VII. DISCUSION DE RESULTADOS:

Los valores obtenidos del porcentaje de contracción de la pieza solidificada

calculados para una aleación Al-Si (3.59%) y Al puro (6.45%) están en un rango

aceptable, ya que el fundamento teórico dice que el límite del porcentaje de

contracción es de 7.00%.

Los lingotes presentan una característica especial en su superficie; una gran

cantidad de poros ya que es producto de la excesiva humedad del molde por lo

que el agua contenida en éste se evapora y el hidrógeno se almacena en forma

de bolsas dentro del material.

La disminución del volumen, y por lo tanto la formación de rechupes se da por

las contracciones líquidas y de solidificación que se produjeron en la pieza.

La presencia de pequeños cristales oscuros (Si) en la fotomicrografía de la

aleación, da entender que el Si es insoluble en el Al en estado sólido.

7.1 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:

a. CONCLUSIONES:

Según lo observado de los lingotes obtenidos se llega a la conclusión de que

la gran cantidad de poros, es producto de la excesiva humedad y la falta de

permeabilidad del molde.

El lingote de aluminio puro posee mayor porcentaje de contracción en

comparación que el Al-Si; con lo que el lingote de aluminio puro tendrá en

su estructura mayor cavidades (poros y rechupes). Concluyéndose que el Si

en el lingote Al-Si reduce las cantidades de rechupes y poros.

El porcentaje de contracción sólida de los lingotes de Al puro (1.33%) y Al-Si

(1.50%) nos indica que las dimensiones de una pieza deben diseñarse con

un incremento de 1.33% y 1.50% respectivamente, para que no haya

dificultades en e obtención de la pieza que se desee fundir.



30

El aspecto físico de la aleación Al-Si tiene más brillo que el del Al puro.

El lingote Al-Si presenta menos rechupes y mayor porcentaje de contracción

que el lingote de aluminio puro puesto que el silicio reduce el porcentaje de

formación de rechupes en el material.

b. RECOMENDACIONES:

Para eliminar el rechupe que se forma en la superficie del lingote es

recomendable utilizar una mazarota.

Para la obtención de lingotes de buena calidad se debe hacer un análisis

químico y metalográfico, de tal manera que se puedan optimizar los

productos, y puedan ser llevados al mercado con muy buena

competitividad.

Para la preparación del molde de arena se debe tener en cuenta el

porcentaje de humedad de la arena para evitar un exceso de porosidades.

La permeabilidad del molde debe ser la adecuada para permitir la

evacuación del H2.

Se debe tener en cuenta que exista un peso adecuado sobre la caja que

contiene al molde para evitar el derrame del material colado.

VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:

Askeland, D. (1985). Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Edit. Ibero América, México.

Verhoeven J. Fundamento de Metalurgia Física, Ed. Limusa, México. Primera edición, 1987.

Reed Hill,R. Principios de Metalurgia Física. Ed. ECSA. 2° Edición.1986

Smith F. W. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Ed. Mc Graw Hill, 2° Edición. 1993.

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