TEMA:

FUSIÓN, SOLIDIFICACIÓN Y

COLADO

UNIVERSIDAD DE HUÁNUCO

1.- PROCESAMIENTO DE LAS FUNDICIONES

El proceso de transformar un sólido en líquido se llama FUSIÓN, y el material líquido inicial se conoce como FUNDICIÓN.

Procesamiento primario.

Procesamiento secundario o metalurgia de olla o cuchara.

Refusión.

1.1 Procesamiento primario

Se lleva a cabo en el horno de fusión. En el caso de hierro reciclado, o chatarra de hierro, la fusión se efectúa comúnmente en un horno de arco voltaico.

Las instalaciones que utilizan principalmente chatarra se conocen como plantas acereras no integradas o miniacerías.

Fig 7-1 Materias primas reacciones, zonas de temperatura, y efluentes, escoria y “metal caliente” en

un alto horno para hierro.

Fig 7-2 Esquema del proceso de siderurgia del horno básico al oxígeno, donde se muestra la ubicación de diversas unidades de operación

1.2.- Procesamiento secundario o metalurgia de olla o cuchara

Se pueden hacer aún otras refinaciones y ajustes a la composición de la fundición en la ola. Esto se conoce como proceso de refinación secundaria o metalurgia de olla o cuchara. Se hacen ajustes pequeños al contenido de carbono agregando coque a la fundición. También se hacen adiciones de aleantes más costosos.

Fig 7-5 Efecto de las inclusiones no metálicas en la energía de la meseta superior de MVC (MVN) y en la ductilidad total

Fig 7-6 Influencia de las adiciones de tierras raras (cerio) en la energía de la meseta superior de MVC (CVN) transversal; las inclusiones son globulares

Fig 7-3 Vena de inclusión no metálica de sulfuro de manganeso

(MnS)

Fig 7-4 Inclusión no metálica globular formada por adición de un aditivo para dar forma del sulfuro

ala fundición.

Fig 7-11 Las corrientes de fundición se protegen de la atmósfera para impedir la reoxidación y conservar su limpieza local

1.3.- Refusión

Durante la solidificación, el líquido contiene más soluto que la fase sólida que se forma a partir del líquido. La ecuación siguiente expresa este hecho:

K= Cs / CL

Donde: K es el coeficiente de distribución y es menor

que unoCs es la concentración de soluto en el sólidoCL, es la concentración de soluto en la fase

líquida.

Fig 7-14 Proceso de refusión con arco en vacío (RAV); o (VAR) o de electrodo consumible

Fig 7-12 Sección de un diagrama de fases que muestra el contenido de soluto en el

liquido y en el sólido durante la solidificación

2.- CARACTERISTICAS DEL ESTADO LÍQUIDO:

las características de la estructura de la fase liquida en relación con la sólida. La diferencia más sobresaliente entre las dos fases es

la pérdida de rigidez del líquido. Este no tiñe la rigidez del sólido; en cambio tiene fluidez. En términos de viscosidad, La diferencia entre las fases sólida y liquida es de alrededor de 20 ordenes de magnitud (1020 ).

En el líquido el orden es diferente y no guarda relación con la cristalinidad de sólido.

Contracción o expansión por solidificación de algunos

metales

Elemento %de contracción/expansión (+)

Aluminio, Al 7.0 Bismuto, Bi +3.32 Cobre, Cu 3.32 Galio, Ga +3.24 Indio, In 2.5 Hierro, Fe 3.4 Magnesio, Mg 4.2 Manganeso, Mn 1.7 Plutonio, Pu +1 a +2 Plata, Ag 5.58 Talio, Tl 3.23 Estaño, Sn 2.7

Fig 7-15 Refusión de electroescoria( REE ; o ESR) el lingote refundido se cubre con escoria para impedir que se oxide de nuevo

3.- SOLIDIFICACION UN PROCESO DE NUCLEACION Y CRECIMIENTO

La nucleación consiste en el agrupamiento de los átomos dispuestos en el orden de la nueva fase para formar pequeños núcleos (nucleación) en la fase antigua. Los núcleos estables crecen entonces de tamaño (crecimiento) por transporte o movimiento y reordenamiento de átomos (difusión) de la fase antigua hacia la nueva fase.

Si existe un gran numero, N. de lugares similares donde se pueden formar núcleos, el numero de núcleos, n. que se puede formar es aproximadamente igual a

n = N exp(-A/kT)

3.1.- Nucleación homogénea

Como ya señalamos es muy difícil que este modo de nucleación se presente en su práctica. No obstante una revisión de una teoría sencilla de la nucleacion homogénea pone al descubierto dos principios importantes del proceso de solidificación. Comenzaremos por examinar la necesidad de un cambio de energía libre negativo en la transformación. En termodinámica, un cambio una propiedad es siempre el estado final menos el estado inicial.

Si se obtiene un valor negativo, esto indica que el estado inicial tiene más energía (un exceso) que el estado final. Este exceso de energía se denomina energía libre porque esta disponible para realizar trabajo.

∆Fneto = ∆Fv + ∆+Fs

Donde: ∆Fv es el cambio de energía libre volumétrica

debido al cambio de estado, en razón del volumen (cantidad) de la fase nueva que se formo, SIEMPRE ES NEGATIVO

∆Fs es la energía de superficie que se necesita para formar el área interfacial, SIEMPRE ES POSITIVO

Fig 7-16 Curvas de energía de superficie, energía libre volumétrica y energía libre neta durante la nucleacion de un sólido en un liquido

Puntos de fusión, subenfriamiento y energías interfaciales de metales puros durante la solidificación

Metal puro

Mercurio -38.36 234.6 58 0.247 24.4 Galio 29.8 302.8 76 0.251 56.0 Estaño 231.9 504.9 105 0.208 54.5 Bismuto271.3 544.3 90 0.165 54 Plomo 327 600.0 80 0.133 33 Antimonio 630.5 903.5 135 0.149 101 Germanio 937 1210 227 0.188 181 Plata 960.8 1233.8 227 0.184 126 Oro 1063 1336 230 0.172 132 Cobre 1083 1356 236 0.174 177 Manganeso 1245 1518 308 0.203 206 Níquel 1453 1726 319 0.185 255 Cobalto 1495 1768 330 0.187 234 Hierro 1536 1809 295 0.163 204 Paladio 1552 1825 332 0.182 209 Platino 1769 2042 370 0.182 240 Prom. =

0.186

3.2.- Nucleación heterogénea

La nucleación preferente en las superficies del molde y de las impurezas se llama nucleación heterogénea.

Para que se lleve a cabo la nucleación heterogénea, el núcleo debe adherirse a la superficie. La tendencia a la adhesión puede describirse mediante el ángulo de contacto.

¥sl = ¥sn + ¥cosΨ ……….. ( 7 - 12 )Donde

¥sl es la energía interfacial entre el sólido y el liquido ¥sn es la energía interfacial entre el sólido y el núcleo y ¥

entre el liquido y el núcleo. Las tensiones superficiales son iguales alas energías interfaciales.

Área interfacial sólido-núcleo Área interfacial sólido-núcleo

Volumen del núcleo

Si se conocen las áreas interfaciales y el volumen del núcleo, la expresión de ∆Fneto se convierte en :

∆Fneto = ∆Fv

Fig 7-17 El núcleo de forma esférica se adhiere a la superficie heterogénea solida y toma el lugar del liquido que antes estaba en la superficie. Para que

ésta sea estable, se debe cumplir la ecuación 7-12

3.3.- Crecimientos de Núcleos

El proceso de nucleacion se lleva a cabo acompañado del desprendimiento del calor latente de solidificación, el cual aumenta la temperatura interfacial liquido-núcleo. Si hubo un enfriamiento favorable ala nucleacion, el calor liberado lo cambiara sin duda aun acondiciona menos favorable. Para que el núcleo crezca en tamaño es necesario restaurar las condiciones favorables a la solidificación en la interfase liquido-núcleo.

Propiedades mecánicas de aleantes Al-4.5% Cu colada. (M. C. Fleming)

Esfuerzo Esfuerzo elongac.de fluenc máx.F. (%)

(Lb/pulg2) (lb/pulg2) 

•Propiedades típicas de piezas fundidas en arena 22.000 26.000 2

Solidificadas rápidamente 35.000 35.000 20

Solidificadas rápidamente, composición modificada 55.000 65.000 10

Propiedades mínimas garantizadas en piezas

Moldeadas De primera calidad composición modificada 50.000 60.000 5

Fig 7-20 Perfiles de: (a) concentración, y (b) temperatura en el líquido que dan origen a un “subenfriamiento constitucional” como se indica en (b)