Por Paulina Cecchi

Solidificación de Metales

Durante los procesos de fundición, las piezas adquieren su forma gracias a la solidificación de un volumen metal o aleación metálica, forzado a solidificar bajo las restricciones de forma del molde. Las condiciones geométricas del molde, la velocidad de enfriamiento, el tipo de material utilizado, son variables que influyen en el mecanismo interno de solidificación, y por ende influyen en las propiedades mecánicas que tendrá la pieza.

1. Proceso de Solidificación

La solidificación de un metal o aleación metálica en estado líquido ocurre por formación y crecimiento de núcleos. La disminución de energía causada por el enfriamiento produce una aglomeración espontánea de partículas, permitiendo la formación de un núcleo. A medida que la temperatura disminuye, los núcleos crecen, dando origen a los granos que constituirán la estructura del metal sólido.

Figura 1. Proceso general de solidificación

2. Solidificación de Metales puros

Los metales puros, a diferencia de las aleaciones metálicas, poseen una temperatura de fusión bien definida, por lo que, al ser enfriados en equilibrio, toda la masa metálica solidifica a una misma temperatura, . Esta temperatura se mantiene constante durante el cambio de fase y es seguida de un enfriamiento en estado sólido. Los metales, sin embargo, normalmente son enfriados bajo condiciones de no equilibrio. En estas condiciones, los núcleos sólidos comenzarán a formarse a una temperatura menor que , requiriendo entonces de un subenfriamiento. La evolución de la temperatura en función del tiempo durante la solidificación se ilustra en una curva de enfriamiento típica en la figura 2.

Figura 2. Curva de enfriamiento

Se observa que, luego del subenfriamiento representado por , el material sufre un leve aumento de temperatura hasta llegar a la temperatura de fusión. Esto ocurre ya que, cuando existe suficiente sólido formado, éste libera una cantidad apreciable de calor latente de transformación, lo que eleva la temperatura del material hasta. Una vez alcanzada , la temperatura permanece constante durante la solidificación. El fenómeno de aumento de temperatura después del subenfriamiento recibe el nombre de recalescencia.

Los granos de un metal idealmente puro crecen en forma columnar plana –es decir, como un grano alargado- en las zonas inmediatamente aledañas a las paredes de los moldes, en la dirección principal de la transferencia de calor. En las zonas centrales, donde la formación de sólido metálico en las paredes disminuye la conductividad del calor, los granos suelen ser equiaxiales, como se muestra en la figura 3.

Figura 3. Crecimiento planar.

3. Solidificación de Aleaciones

Las aleaciones metálicas, al estar constituidas por más de un elemento, solidifican en un rango de temperaturas y no a temperatura constante, como los metales puros. Este rango de temperaturas comienza con la temperatura y termina con la temperatura del diagrama de fase de la aleación, para una composición de aleación dada.

La forma de los bordes de grano en la solidificación de aleaciones generalmente es dendrítica, como muestra la figura 4. Esto ocurre porque el gradiente térmico es negativo, es decir, que la temperatura del líquido aledaño a la interfase es menor que la del sólido formado. La negatividad del gradiente térmico se debe a que el líquido frente a la interfase se enriquece de soluto debido a una re-eyección por parte del sólido; de esta forma, el líquido baja su temperatura y se obtiene un crecimiento dendrítico. La figura 4 ilustra una estructura típica de crecimiento dendrítico.

Figura 4. Crecimiento dendrítico.

La naturaleza termodinámica de la zona de la interfase, cuestión que determina la forma de crecimiento de grano, queda definida tanto por el gradiente térmico como por la velocidad de solidificación, como se ilustra en la figura 5.

Figura 5. Dependencia de la forma de crecimiento en

En la figura 5, G representa el gradiente térmico y R la velocidad de solidificación (velocidad con que avanza la interfase, directamente relacionada con la velocidad de enfriamiento).

En las aleaciones enfriadas bajo condiciones de no equilibrio, se produce una redistribución de soluto durante la solidificación, en que el sólido re-eyecta soluto al líquido que aún no ha solidificado, de esta forma, se tiene un gradiente de concentración de soluto entre las zonas del grano que han solidificado temprana y tardíamente. Las zonas interiores de las dendritas tienen una baja concentración de soluto, mientras que las zonas exteriores tienen una concentración mayor.

4. Tipos de Nucleación

Nucleación Homogénea

La formación y crecimiento de núcleos durante la solidificación de metales y aleaciones metálicas es el resultado de la disminución temperatura hasta límites en que la energía libre de Gibbs es menor en estado sólido que en estado líquido, es decir, que el estado sólido es más estable que el líquido. 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.

La formación de un núcleo sólido de radio conlleva un gasto energético igual a

La curva de energía presenta un máximo en un radio , como se muestra en la figura 6. 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.

Figura 6. Radio crítico de nucleación

La expresión para el radio crítico es inversamente proporcional al subenfriamiento , de modo que mientras mayor sea el subenfriamiento, menor será el radio crítico y en consecuencia habrá mayor tasa de nucleación y crecimiento. Esta produce una estructura de grano fino.

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. Un esquema de nucleación heterogénea a partir de una impureza se ilustra en la figura 7.

Figura 7. Nucleación heterogénea

Como se observa en el esquema, la relación entre el metal y la superficie sólida preexistente en estas condiciones queda determinada por el ángulo, llamado ángulo de mojado. Si es muy cercano a , se dice que la mojabilidad es nula, y por lo tanto la superficie preexistente no ayuda a la solidificación. Si, por el contrario, es cercano a cero, se tiene una alta mojabilidad, es decir, la superficie preexistente contribuye a la formación de núcleos.

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 figura 8.

Figura 8. Diferencia energética entre nucleaciones homogénea y heterogénea.

Debido a esta razón energética, los metales y aleaciones metálicas solidifican en primera instancia en paredes de molde y alrededor de impurezas. 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 sea mayoritariamente a partir de las paredes del molde, cuestión que resulta en estructuras de comportamiento anisotrópico.

Para que un nucleante 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.

La figura 9 muestra la microestructura de una aleación de magnesio con adición de nucleantes producida mediante rheo-diecasting . Se observa una alta uniformidad en los granos formados.

Figura 9. Efecto de nucleantes