Art. Solid. II

7/29/2019 Art. Solid. II

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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERA

El FENMENO DE LA SOLIDIFICACIN DURANTE LOS ENSAYOS DE FLUIDEZ

DE ALEACIONES Al-Cu

PROYECTO DE INVESTIGACIONES METALRGICAS

ESCUELA DE INGENIERA MECNICA

Guatemala, junio de 2012 ROBERTO ALEJANDRO AGUILAR RIVAS


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EL FENMENO DE LA SOLIDIFICACIN DURANTE LOS ENSAYOS DEFLUIDEZ DE ALEACIONES Al-Cu

Roberto A. Aguilar Rivas. Proyecto de Investigaciones Metalrgicas, Escuela de

Ingeniera [email protected]

Resumen

El fenmeno de la solidificacin durante el mecanismo de cierre de la vena fluida y su efecto sobre losresultados de los ensayos de fluidez en aleaciones Al-Cu diluidas, ha sido analizado en trabajos previos

2,3

mediante la interpretacin de las macroestructuras y las subestructuras de segregacin. En el presentetrabajo, se analizan los resultados de investigaciones metalogrficas, bajo los mismos conceptos, enaleaciones Al-Cu: Al 99.99%, Al 0.5% Cu, Al 1% Cu, Al 2% Cu y Al 5% Cu, tomando en cuenta, como ha sidodemostrado

2, que la inestabilidad de la interfase slido-lquido permite el efecto del mecanismo de

multiplicacin copiosa debido a la fragmentacin cristalina, lo cual delinea claramente el frente desolidificacin que se analiza.

Abstract

The Solidification Mechanism in Fluidity Test of Al-Cu Alloys

The vein closing mechanism in Fluidity Tests of dilute Al-Cu alloys has been investigated in previous Works2,3through the interpretation of the resulting macrostructures and of the segregation substructures. In the presentwork, in the same way, the results of metallographic investigation in Al-Cu alloys: Al 99.99%, Al 0.5% Cu, Al1%Cu, Al 2% Cu, and Al 5%Cu, are analyzed taking into account that the instability of the solid-liquid interfaceof the alloys allows the multiplication mechanism due to crystal fragmentation that reveals the solidificationprofile which is analyzed.

Palabras clave: fluidez, solidificacin, fragmentacin cristalina, conveccin forzada, segregacin.

1. Introduccin

La fluidez de los metales y aleaciones, como parmetro ingenieril, que significa lacapacidad de un metal o aleacin, en estado lquido, de recorrer cierto tramo en

contacto con un sustrato cualquiera, hasta llenar la cavidad de un molde, serepresenta grficamente en un sistema de coordenadas rectangulares en cuyasabscisas se seala el tiempo que tarda el flujo metlico antes de dejar de fluir, y,en las ordenadas, se seala la longitud alcanzada por el mismo hasta que lasolidificacin se manifiesta. Lf, que es la longitud mxima obtenida, constituye elparmetro fluidez. La representacin esquemtica es la que se observa en lafigura 1.

En la grfica puede apreciarse una curva formada por dos zonas. La primera zonaes una recta con proporcionalidad lineal entre sus variables y que dependeprincipalmente del sobrecalentamiento dado al lquido antes de la colada. La

segunda zona parte curva , representa la capacidad del lquido de fluir sinsobrecalentamiento1,6

y depende esencialmente de la presin metalosttica decolada, el coeficiente de transferencia calrica en la interfaz metal-molde, lacomposicin qumica y el modo de solidificacin del metal

3. En general, el objetivo

de los ensayos de fluidez, se concentra en la determinacin del las relacionesexistentes entre los parmetros que actan, con el fin de poder predecir lacapacidad del metal de llenar las cavidades de los moldes.
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Figura 1. Curva representativa de la Fluidez Lf= f (t)

Lf (cm)

t segundos

2. Antecedentes

Aguilar Rivas y Biloni1, investigaron el mecanismo de cierre de la vena fluida enprobetas de fluidez lineal, a diferentes sobrecalentamientos, de aleaciones Al 0.5%Cu, mediante la observacin macroscpica y microscpica de las estructuras ysubestructuras de segregacin de las secciones longitudinales de las probetas,comprobando la ocurrencia del frente de solidificacin propuesto por Morales ycoautores6, para elementos puros, fig. 2, pero con la modificacin que se muestraen la fig. 3, para aleaciones diluidas.

Figura 2. Frente de Solidificacin Segn Ref. (6)

Figura 3. Frente de Solidificacin Segn Ref. (2)

El autor, basado en observaciones metalogrficas sobre probetas obtenidasmediante los ensayos de fluidez citados1,2, en aluminio 99.99% y aleacionesdiluidas y ms concentradas de Al-Cu, comprob la repeticin de los conceptos


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expuestos en dichos trabajos, y, que a continuacin se describen, avalando laocurrencia propuesta.

3. Metodologa y Tcnicas Experimentales

3.1. Equipo

Para la realizacin de los ensayos experimentales, se procedi a la obtencin deprobetas de fluidez, mediante la utilizacin de un equipo de vaco, diseado yconstruido, inicialmente, por el grupo de Biloni, y, adaptado y complementado porquien suscribe, a los fines de realizar los ensayos correspondientes, como partede los trabajos, que constituyen la base de la presente investigacin

1,2, en la

Divisin de Solidificacin y Fundicin de la Comisin Nacional de Energa Atmicade Argentina

3.2. Aleaciones utilizadas.

Se utiliz aluminio de pureza 99.99% y aleaciones Al-Cu con tenores crecientes de

cobre de 0.5%, 1%, 2% y 5%. La pureza de los metales originales fue de 99.99%.

3.3. Procedimiento Experimental.

Con el objeto de identificar claramente la diferencia de las estructuras desolidificacin que definen el mecanismo de cierre durante los ensayos de fluidez,se procedi a la ejecucin de tales ensayos, tratando de realzar los efectos desegregacin de las estructuras que permitieran la interpretacin de las mismas,mediante el anlisis metalogrfico, macro y microscpico. Para ello, los ensayosse efectuaron variando los parmetros externamente controlables, como lo son lapresin efectiva de colada y el sobrecalentamiento.

3.3.1 Tcnicas Metalogrficas.

Las tcnicas metalogrficas se realizaron bajo dos conceptos distintos. Lasprimeras buscando el contraste adecuado para la observacin macrogrfica quepudiera dar un detalle de conjunto, y las segundas buscando los efectosmicrogrficos.

Para las observaciones macrogrficas y microgrficas se realiz el ataque con elreactivo Keller modificado, durante perodos de 5 segundos.

Con el fin de tener una visin microscpica de conjunto, en los corteslongitudinales de las probetas, se realiz pulido electroltico en las siguientesaleaciones:

Al 99.99%, Al 0.5 % Cu, Al 1% Cu, Al 2% Cu y Al 5%Cu.

El detalle de la metodologa metalogrfica se describe en la referencia3.


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4. Resultados

De acuerdo a la metodologa empleada, mediante el anlisis metalogrfico de lasmacroestructuras y subestructuras de segregacin que caracterizan a las probetasde los ensayos de fluidez, los resultados pueden concretarse en lo siguiente:

4.1 Mecanismo de Cierre

a. Aleaciones Diluidas:

El mecanismo de cierre de la vena fluida para las aleaciones diluidas, semanifiesta por el choque de la estructura columnar, predominantementedendrtica, que crece a partir de las paredes del molde. Esto se demuestramediante la observacin de la macrografa de la figura 4 que corresponde a unaprobeta de Al 99.99%, colada con cero sobrecalentamiento y presin efectivasuperior a la normal, y, en la que se nota el efecto de la conveccin forzada,producida por una presin de colada superior a la efectiva correspondiente a laaltura metalosttica real. Esto ltimo, con el fin de poder delinear claramente elavance independiente de las zonas columnares tratando de encontrarse en lalnea central de la probeta. En las micrografas de la figura 5, correspondientes aotra probeta de similares caractersticas, pero colada con menor presinmetalosttica, se observa en detalle, en la cola de la probeta: el choque limpio dela zona columnar; en el centro: los escasos cristales equiaxiales atrapados quesugieren la ubicacin de la longitud crtica; y, en la punta: la zona equiaxialarrastrada por el fluido.

Figura 4 (aprox. 3.22x)

Macrografa de una probeta de Al 99.99% colada con cero sobrecalentamiento y presin efectiva >normal para provocar el efecto de la fragmentacin cristalina. Comprueba el frente de solidificacin

propuesto en la figura 3.


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Fig. 5 (aprox. 17x)

Probeta de Al 99.99% de pureza. T: 40C; P > 0. Cola (choque de las estructuras columnares).Centro (primeras zonas equiaxiales atrapadas), y, punta (zona equiaxial producida por la convexinforzada).

b. Aleaciones Concentradas:

En este caso, el mecanismo de cierre se manifiesta por un efecto combinado deldescrito en el prrafo anterior y el efecto de la friccin de la zona multiplicada oequiaxial, es decir, mientras el crecimiento columnar dendrtico tiende a juntarseen la lnea central de la probeta, a partir de las paredes del canal, las clulasmultiplicadas corriente arriba del lugar de cierre, crecen hasta que se produce unafriccin tan alta entre ellas mismas y con el frente dendrtico de la zona columnar,que el flujo se para en el lugar de mayor friccin. Desde este punto, corrienteabajo, el resto del lquido solidifica a la temperatura de equilibrio y por el efecto dela extraccin calrica desde las paredes del molde. Este mecanismo se observa

claramente en la figura 6, que muestra las macrografas de dos probetas de Al 2%Cu, coladas con sobrecalentamientos de 30C y 40C y presin efectiva superior ala normal. Este efecto puede notarse tambin en la figura 7, que muestra lasmicrografas de probetas de ensayos realizados con sobrecalentamiento de 40C ypresin de colada normal para las aleaciones Al 5% Cu.

Figura 6 (aprox. 1.85x)

Macrografas de dos probetas de Al 2% Cu. T = 30C (abajo), y, 40C (arriba); P > normal. Se

delinean claramente los frentes de solidificacin propuestos


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Fig. 7 (aprox. 24.5x, cola 42x)

Probeta Al 5% Cu. T = 40c; P = 0. Cola (estructura columnar dendrtica y zonas iniciales porfragmentacin. Zona equiaxial dendrtica). Centro (posible zona de cierre). Punta (coexistencia de

las zonas columnares y equiaxiales).

5. Discusin y Anlisisde los ResultadosEn el presente trabajo, como en el de la referencia2, se ha recurrido, comoinstrumento indiscutible, al anlisis metalogrfico de las subestructuras desegregacin, que permiten la observacin clara del desarrollo de los frentes desolidificacin en las aleaciones.

En el caso de las aleaciones diluidas y las ms concentradas, como las Al 1% Cuy Al 2% Cu, la inestabilidad de la interfase slido-lquido permite la manifestacinde los mecanismos de multiplicacin en el camino de la vena lquida en contactocon la misma y la fragmentacin cristalina revela la formacin del perfil del frentede solidificacin. De esta manera, el uso de las aleaciones Al-Cu, combinado con

la aplicacin de las tcnicas metalogrficas adecuadas proporciona detalles muyclaros sobre los mecanismos de solidificacin involucrados en el bloqueo de lavena lquida durante los ensayos.

Como puede observarse en las macrografas de las figuras 4 y 6, el perfil de frentede solidificacin de las aleaciones diluidas y ms concentradas hasta Al 5% Cucorresponde al de la grfica de la figura 3, similar al frente propuesto para metalespuros por Morales y coautores6, y demostrado para aleaciones diluidas por


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Aguilar Rivas y Biloni2,y, cuya alteracin debido al efecto de la conveccin forzadasobre una interfase inestable, se puede caracterizar de la siguiente manera,mientras se aprecian las macrografas y micrografas de las figuras 4 a la 7:

i) La regin de la cola de las probetas, corresponde a choque de lasestructuras columnares que avanzan en un lquido sobrecalentado hasta

encontrarse. Esto se aprecia claramente en las figuras 4 y 5.ii) La regin del centro contiene una serie de granos equiaxiales

producidos por el efecto de la conveccin que han quedado atrapadospor los frentes de solidificacin bidireccional o que han sido loscausantes de la estrangulacin por el efecto de la alta friccin entre smismos y con propios frentes dendrticos. Este fenmeno se apreciatanto en las macrografas 4 y 6, cuanto en las micrografas 5 y 7.

iii) En la regin de la punta, se nota el crecimiento de granos columnaresdesde las paredes del molde, en coexistencia con una zona equiaxialdensa que se hace cada vez mayor dependiendo de la cantidadcreciente de soluto, debido al arrastre de la fragmentacin cristalina,

que en el caso de los metales puros no se presenta debido a laestabilidad de la interfase slido-lquido en el frente de solidificacin.

6. Conclusiones

Con base en los resultados experimentales que fundamentan este trabajo y losexistentes en la literatura, puede concluirse en lo siguiente:

1. La morfologa de las estructuras de solidificacin correspondientes a lasprobetas de los ensayos de fluidez, est siempre condicionada por los siguientesaspectos:

a) La pureza del metal o su concentracin de soluto.b) La capacidad de extraccin calrica del molde, que acta directamente sobre

el tamao cristalino de la estructura.c) Las caractersticas superficiales del sustrato, que definen la densidad de la

nucleacin cristalina.d) El coeficiente de transferencia calrica global en la interfaz metal/molde

como resultante de los efectos referidos en a, b y c.e) La presin de colada que influye directamente en la caracterizacin del flujo

metlico y que puede llegar a alterar las caractersticas morfolgicas de lasestructuras resultantes debido a los efectos de la conveccin natural oforzada. Ntese claramente en la comparacin de las figuras 4, 5, 6 y 7.

2. El mecanismo de cierre de la vena lquida est directamente influenciado por lamorfologa natural de las estructuras de solidificacin, independientemente delgrado de sobrecalentamiento, o sea, la temperatura de colada.

3. El perfil del frente de solidificacin de los metales puros y aleaciones diluidas,es el correspondiente a las figuras 2 y 3 respectivamente, tal como fuera propuestopor Morales y coautores6 y Aguilar Rivas y Biloni1.


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4. El mecanismo de cierre de las aleaciones ms concentradas, segn se puedeextrapolar de las caractersticas observadas en las probetas de Al5%Cu, coladascon sobrecalentamiento, figura 7, se debe fundamentalmente al efecto de la altafriccin intergranular entre una zona equiaxial producto de la multiplicacincristalina y una zona columnar bidireccional que avanza desde las paredes del

molde, hacia el centro de las probetas, o, posiblemente, nicamente al primerefecto sealado para mayores concentraciones de soluto.

5. El mecanismo de solidificacin afecta directamente los resultados de losensayos de fluidez.

7. Recomendaciones

Con base en los resultados obtenidos, se cree conveniente realizarinvestigaciones que coadyuven a enriquecer el conocimiento sobre el tema de lasolidificacin, realizando ensayos de laboratorio que combinen la prctica del artede la fundicin con la aplicacin de la investigacin metalogrfica. Esto podra

iniciarse a travs del desarrollo de los siguientes temas:

1. Anlisis de las estructuras de solidificacin de diferentes metales purosbajo condiciones invariables de molde y sustrato.

2. Igual que lo anterior, pero con aleaciones diluidas.3. Anlisis de las subestructuras de segregacin en las aleaciones diluidas.

8. Referencias

1. Aguilar Rivas R. A. and Biloni H., Fluidity of Al-Cu Alloys with Zero Superheat. Zeitschrift fr Metallkunde,Bd. 71 (1980) H.4 P. 264-268. Germany.

2. Aguilar Rivas R. A. and Biloni H., Vein Closing Mechanism in Fluidity Tests of Dilute Al-Cu Alloys.Zeitschrift fr Metallkunde, Bd. 71 (1980) H.5 P. 309-311. Germany.

3. Aguilar Rivas R.A., Solidificacin de Metales y Aleaciones y El Mecanismo de Cierre Durante los Ensayosde Fluidez de Aleaciones Al-Cu. Proyecto de Inv. Metalrgicas, EIM. FIUSAC. 2011. Guatemala.

4. Biloni H., The Solidification of Metals, ISI P 110. (1968) 145.5. Biloni H. Solidification. Cahn R. W. and Haasen P., Physical Metallurgy. Third Edition, North Holland

Physics Publishing, (1983).6. Morales A., Fisolo J. y Biloni H., On the Nature of the Fluidity Property. Zeitschrift fr Metallkunde, Bd 68

(1977) 180. Germany.

Roberto Alejandro Aguilar Rivas

Ingeniero Mecnico, USAC. Dr. Sc. en Metalurgia, AIU. Ex investigador de la USAC. PMM. OEA-CNEA,

Argentina. Director de INDESA Ingeniera, Investigacin y Desarrollo. Profesor- Investigador, Escuela de

Ingeniera Mecnica, FIUSAC.

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