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  • 1. 1 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA 2DO LABORATORIO DE METALURGIA FÍSICA II. TÍTULO: SOLIDIFICACIÓN DE UN LINGOTE DE ALUMINIO Y ALEACION ALUMINIO-SILICIOII. 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% FORMACION DEL NÙCLEO LÍQUIDO SOLIDO FIGURA: Formación de núcleo sólido en el interior de un molde UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 2. 2 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA 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. ΔG = 4/3π r3 ΔGv + 4 π r2 σ FIGURA: forma típica del crecimiento de un núcleo homogéneo . UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 3. 3 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA 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 < r c ; s > v = + (núcleo es inestable: no crece y se disuelve en el líquido) rn > r c ; 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. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 4. 4 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA-En la nucleación heterogénea el radio crítico de nucleación es idéntico al radio crítico denucleación homogénea. La gran diferencia estriba en que, por el hecho de existir unasuperficie previa, la energía requerida para alcanzar dicho radio es menor, en consecuencia elsubenfriamiento puede también ser menor. Se ve del esquema que, para obtener un radio denucleación , el metal líquido utiliza un volumen mucho menor cuando está ayudado por unasuperficie preexistente que cuando debe generarse espontáneamente a partir del líquido. Unailustración 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 ypor 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 recipienteque los contiene: UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 5. 5 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA -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>r c. 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 UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 6. 6 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICAanisotrópico. Para que un nucleante (creador de centros de nucleación) sea efectivodebe, 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 temperaturapor encima de la inter-cara solido-liquido, es mayor a la temperatura de fusión delmetal.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. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 7. 7 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICALa distribución de temperatura para una solidificación con gradiente positiva semuestra en la fig. FIGURA: Gradiente de temperatur a positivo en la inter -cara S-L.  Crecimiento facetado : La intercara facetada (fig.a) desplaza una intercara dentada consistente en planos biendefinidos (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 paralelaa la isoterma Ts Aquí es importante ΔSf. MATERIAL ΔSf/R MORFOLOGÍA Todos los <2 Sin facetas metales >2 Con facetas Solido Liquido Solido Liquido FIGURA: Morfología T T de la intercara T T a) Facetado. s Δ s Δ T T b) No facetado. Posición → Posición → a+ b + ) UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 8. 8 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA 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 ycrea en la interface. Conforme crece la dendrita el calor latente de fusión pasa alliquido subenfriado, elevando la temperatura de solidificación .En los troncos de lasdendritas primarias también pueden crecer brazos secundarios y terciarios paraacelerar la liberación de calor latente de transformación.El crecimiento dendrítico continúa hasta que el liquido subenfriado alcanza latemperatura de solidificaciónLa diferencia entre el crecimiento dendrítico y el planar ocurre debido a las distintasformas de disipar elcalor latente defusión FIGURA: crecimiento dendrítico: gradiente negativoCARACTERISTICAS DEL CRECIMIENTO DENDRITICO:-El líquido está subenfriado y el sólido está a una temperatura mayor que T f.-El calor latente de fusión se mueve del sólido al líquido. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 9. 9 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA-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. DIRECCIÓN DE CRECIMIENTO DENDRITICO DIRECCIÓN DE CRECIMIENTO DENDRITICO ESTRUCTURAS CRISTALINAS CUBICA CENTRADA EN LAS CARAS < 100 > CUBICA CENTRADA EN EL CUERPO < 100 > HEXAGONAL COMPACTA < 1010 > TETRAGONAL CENTRADA EN EL CUERPO < 110 >El creciente dendrítico ocurrirá en la solidificación de los metales puros. En los metalesde relativa alta pureza es casi imposible obtener el sobrecalentamiento térmico paraque todo el proceso sea dendrítico.En los metales puros se requiere un sobrecalentamiento muy grande (del orden de100°C).*Longitud de la dendrita: La longitud de las dendritas se encuentra por la siguientefórmula: T punta  Tbase L Gp 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 sólido dependiendo la forma como se extrae el calor del molde. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 10. 10 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA-La rapidez en la cual crece el sólido depende de la velocidad deenfriamiento 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 enfriamiento para un metal puro durante la fundición. B) PARA UNA ALEACIÓN UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 11. 11 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA 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 defuerzas que libera a los átomos juntos. En consecuencia conforme se agrega calor, losenlaces que unen a los átomos se rompen y los átomos son libres de moverse como unlíquido.Cuando solidifica un lingote ocurren tres fases separadas en distintascaracterísticas 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 lingotegeneralmente hay muchos pequeños granos equiaxiales suspendidos en todas partes.a medida que continúa la solidificación, estos pequeños granos empiezan a crecerjuntos hasta que finalmente bloquea en forma efectiva el movimiento hacia adentrode los granos columnares. este punto se llama “transición de columna a equiaxial”.denuevo las intercaras sólido –liquido de estos granos flotantes son dendríticos.Por medio de un control apropiado es posible obtener granos y totalmente columnareso totalmente equiaxiales. a fin de obtener una transición de columnar a equiaxial enun lingote, es evidente que los granos equiaxiales deben: Ser producidos en el centrodel lingote y no fundir en la región central más caliente. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 12. 12 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA 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. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 13. 13 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICADebido a la rapidez con la que desciende la temperatura del líquido, resultausualmente una considerable magnitud de sobre enfriamiento. Cuando ocurre lanucleación (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 seráncausales. Finalmente como el crecimiento es limitado por cristales vecinos similaresnucleados a tiempos aproximadamente idénticos, sus zonas serán casi uniformes y suestructura se dice que es casi equiaxial. Los cristales en la zona de enfriamiento rápidose desarrollan tanto por nucleación como, por crecimiento. Los núcleos cristalinos seforman en el líquido y crecen en tamaño hasta que hacen contacto con los cristalesvecinos.La solidificación es el proceso inverso, el calor que emite el metal fundido debedisiparse.La solidificación de metales y aleaciones es un importante proceso industrial ya que lamayoría de los metales se funden para moldearlos hasta una forma acabada osemiacabada. En general, la solidificación de un metal o aleación puede dividirse en lassiguientes 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: UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 14. 14 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA  PROPIEDADES MECANICAS DE PIEZAS FUNDIDAS:Las propiedades mecánicas pueden ser controladas, por la adición de átomossustitucional e intersticial, los cuales interfieren en el movimiento o deslizamiento delas dislocaciones.Las propiedades mecánicas del aluminio más interesantes son: su débil resistenciamecánica, y su gran ductilidad y maleabilidad, que permite forjarlo, trefilarlo en hilosdelgadísimos y laminarlo en láminas o panes tan finos como los del oro, hasta de unespesor de 0,0004 mm (0,4 micras). A la temperatura de 500ºC se vuelve frágil y sepuede pulverizar fácilmente. Controlando el proceso de solidificación podemosobtener buenas propiedades como: Ductilidad:En la solidificación, un metal deformado se lleva a una temperatura de recocidoentonces mientras tenga mayor porcentaje de deformación habrá elevados centros denucleación y alta velocidad de nucleación por lo tanto el tamaño del grano será másfino y el material será más dúctil.  DEFECTOS DE SOLIDIFICACIÓN: a. SEGREGACIÓN:Los líquidos que han solidificado para formar aleaciones industriales, contienenmuchos elementos de impureza. Cuando solidifica una aleación, es que los elementosde soluto presentan como elementos de aleación o como impurezas son más solublesen estado liquido que en el estado sólido, este hecho conduce a una segregación en lafundición terminada. La segregación de un soluto debido a una segregación dendríticapuede ser eliminada mediante un tratamiento térmico conocido como recocido dehomogeneización.En la composición no uniforme producida por la solidificación fuera de equilibrio, lasegregación también es conocida como segregación interdendrítica, omicrosegregación y algunas veces como segregación central la cual ocurre en cortasdistancias entre los pequeños brazos dendríticos.En las aleaciones que forman soluciones sólidas, los primeros núcleos dendríticos sonmás ricos en elementos de punto de fusión más elevados que las capas sucesivasformadas a menor temperatura y esta diferencia en la composición del centro al bordeuna dendrita puede subsistir si el intercambio atómico y la difusión se produce UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 15. 15 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICAlentamente. Con enfriamiento rápido los elementos disueltos son atrapadosprontamente entre las dendritas, y en estas condiciones la estructura no es peligrosaporque las dendritas están bien distribuidas y se pueden romper con facilidad duranteel trabajo en caliente.Cuando el acero líquido, que es un material complejo solidifica en el molde, hayinvariable, cierta segregación o dispersión desigual de los elementos o componentesque produce alguna especie. b. CONTRACCIÓNLa contracción ocurre en tres etapas. Uno de los problemas más importantes en elproceso de fundición son los de la contracción. La cantidad de contracción que ocurrevaría según el material que se funde, pero también está influenciado por elprocedimiento y técnicas de fundición.Las tres etapas de contracción que ocurre conforme disminuye la temperatura, desdela temperatura de fundido hasta la temperatura de ambiente normal, se ilustra en elsiguiente gráfico.FIGURA: Contracción de una fundición cilíndrica durante la solidificación yenfriamiento: (0) niveles iniciales inmediatamente después del vaciado; (1) reduccióndel nivel causada por la contracción del líquido en el enfriamiento; (2) reducción de laaltura y formación de la bolsa de contracción; y (3) reducción posterior de la altura ydiámetro debida a la contracción térmica durante el enfriado del metal sólido. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 16. 16 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA c. RECHUPESe presenta cuando la superficie se enfría más lentamente que las otras. En cualquierade estos casos la fundición es defectuosa; estos defectos se detectan por tener unacavidad áspera. Para eliminar los rechupes es necesario utilizar alimentadores,mazarota, montante o risers. Para esto es necesario que la solidificación seadireccional primero solidifique la pieza luego el neck o cuello y finalmente la mazarota. d. POROSIDADLa porosidad de una fundición puede amplificarse por la evolución de gas antes ydurante la solidificación. El gas puede formar bolsas o burbujas o puede entrar en losvacíos de micro porosidad para alargarlos. Se detecta estos defectos por ser brillantesen su cavidad. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 17. 17 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA  PROPIEDADES DE LA ALEACIÓN AL-SI: RESISTENCIA Y EXPANSIÓN TÉRMICAComo 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 yW. Este añadido provoca unas buenas propiedades de moldeo, soldabilidad yresistencia a la corrosión, incluso en ambientes marinos. En general, estas aleacionesson más resistentes y dúctiles que las aleaciones de Al-Cu. Esto se debe a la microestructura. El sistema binario Al-Si forma un eutéctico a 577ºC y una composición del11.7%, 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 odirectamente durante la precipitación a partir del líquido. En los procesos de colada nose alcanza un equilibrio total apareciendo Si libre. Se suele añadir Na o Fe paradesplazar el eutéctico a la derecha, 14%, y disminuir su temperatura en una reacciónde modificación. Luego el Si precipita de forma dispersa y uniforme en vez de placasalargadas. Al existir numerosos precipitados dispersos se dificulta el desplazamiento dedislocaciones y a su vez de grietas aumentando la resistencia. Además se provoca unadisminución del coeficiente de expansión térmica debido a la disminución de grandeslímites de granos evitándose así el choque de las deformaciones de dos fases distintasa lo largo de estos. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 18. 18 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICAEstas aleaciones se utilizan en tratamientos térmicos con precipitación a altatemperatura. Por esto se utiliza en pistones donde se requieren propiedades de altaresistencia y choque térmico. También podemos encontrar estas composiciones dealuminio en la fabricación de turbinas de aviación.Las aleaciones de ALUMINIO- SILICIO son de gran aplicación por sus excelentescualidades para la fundición y su resistencia a la corrosión; no son quebradizas encaliente y es fácil obtener con ellas fundiciones sólidas en secciones gruesas odelgadas, la más comúnmente utilizada es la que contiene 5% de silicio, se solidificanormalmente con una gruesa estructura hipereutéctica que se modifica antes defundirse por la adición de una pequeña cantidad de sodio para darle una estructurafina eutéctica de mayor resistencia mecánica y tenacidad, el contenido de hierro debeser bajo para evitar la fragilidad.Las aleaciones de aluminio-magnesio son superiores a casi todas las otras aleacionesde fundición de aluminio en cuanto a resistencia, corrosión y maquinabilidad; ademásde 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; esconveniente que sean ligeros, de baja dilatación térmica y de buenas propiedades atemperaturas elevadas. FIGURA: pistones fabricados con la aleación Al-Si UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 19. 19 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA  CARACTERISTICAS DEL ALUMINIOEl aluminio es un metal plateado muy ligero. Su masa atómica es 26,9815; tiene unpunto de fusión de 660 ºC, un punto de ebullición de 2.467 ºC y una densidad relativade 2,7. Es un metal muy electropositivo y muy reactivo. Al contacto con el aire se cubrerápidamente con una capa dura y transparente de óxido de aluminio que resiste laposterior acción corrosiva. Por esta razón, los materiales hechos de aluminio no se oxidan. El metal reducemuchos 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 eloxígeno del óxido; el calor de la reacción es suficiente para fundir el hierro. Estefenómeno se usa en el proceso Goldschmidt o Termita para soldar hierro.  ALGUNOS USOS DEL ALUMINIOUn volumen dado de aluminio pesa menos que 1/3 del mismo volumen de acero. Losúnicos metales más ligeros son el litio, el berilio y el magnesio. Debido a su elevadaproporción resistencia-peso es muy útil para construir aviones, vagones ferroviarios yautomóviles, y para otras aplicaciones en las que es importante la movilidad y laconservación de energía. Por su elevada conductividad térmica, el aluminio se empleaen utensilios de cocina y en pistones de motores de combustión interna. Solamente presenta un 63% de la conductividad eléctrica del cobre para alambres deun tamaño dado, pero pesa menos de la mitad. Un alambre de aluminio deconductividad comparable a un alambre de cobre es más grueso, pero sigue siendomás ligero que el de cobre. El peso tiene mucha importancia en la transmisión deelectricidad de alto voltaje a larga distancia, y actualmente se usan conductores dealuminio para transmitir electricidad a 700.000 voltios o más.El metal es cada vez más importante en arquitectura, tanto con propósitosestructurales como ornamentales. Los perfiles, las contraventanas y las láminas dealuminio constituyen excelentes aislantes. Con el frío, el aluminio se hace másresistente, por lo que se usa a temperaturas criogénicas. El papel de aluminio de 0,018cm de espesor, actualmente muy utilizado en usos domésticos, protege los alimentos yotros productos perecederos. La resistencia a la corrosión al agua del mar también lohace útil para fabricar cascos de barco y otros mecanismos acuáticos.Se puede preparar una amplia gama de aleaciones recubridoras y aleaciones forjadasque proporcionen al metal más fuerza y resistencia a la corrosión a las temperaturaselevadas, algunas de las nuevas aleaciones pueden utilizarse como planchas deblindaje para tanques y otros vehículos militares. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 20. 20 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICAIV. 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): UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 21. 21 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA Microscopio metalográfico (Neophot 21): Cámaras:V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:  Obtener los materiales: 2Kg de aluminio puro cortado y 2Kg de Aluminio pistón (Aleación Al-Si). UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 22. 22 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA 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. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 23. 23 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA 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. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 24. 24 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA  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. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 25. 25 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA  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: 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 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). UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 26. 26 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA rx hx RxEl % de contracción se calcula por: % contracción solida = % 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 V V 82.80 UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 27. 27 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICACalculamos él % contracción o rechupe: (% Concentración o rechupe) = % contracción o rechupe =Calculo del volumen del rechupe: = = = 77.78 x 6.45% = 5.02 (% Concentración o rechupe) = % Rechupe = 3.59% =Calculo de la del Aluminio puro: 388.074 MATERIAL CONTRACCION SOLIDA CONTRACCION LIQUIDA % % Al 1.33 6.45 Al-Si 1.5 3.59 UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 28. 28 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA 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. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 29. 29 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICAVII. 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. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
  • 30. 30 METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA  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. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO