Figura 5.4. Fotografía de los moldes utilizados.PROCEDIMIENTO OPERATORIO:
| 1) | Pesar alrededor de 250 gr de trozos o virutas de metal Zinc y llenar la cuchara para fusión. |
| 2) | Introducir la cuchara en el horno eléctrico a la temperatura de 500ºC. |
| 3) | Mantener hasta producir la fusión. |
| 4) | Sacar del horno y verter sobre los moldes A, B, C y D. Figura 5.4. |
| 5) | Dejar enfriar hasta la temperatura ambiente, registrando la cinética de enfriamiento en cada molde. |
| 6) | Extraer el sólido, lingote, ahuecando el agujero de extracción. |
| 7) | Tronzar el lingote transversalmente por el centro del mismo y extraer una muestra de 5 mm. de espesor. |
| 8) | Preparar metalográficamente la muestra atacando la superficie con Nital 2. |
2.1.1. El tipo de grano
A través de las micrografías
se observa que domina el tipo de grano dendrítico distribuido
por toda la periferia y con el eje principal de la dendrita orientado
como los radios del círculo.
Un análisis por difracción
de rayos X nos descubriría que los ejes longitudinales
de todas las dendritas tienen de común el hecho de que
identifican definidas direcciones cristalográficas de cada
uno de los monocristales, que constituyen las dendritas.
Por ejemplo, en las estructuras
c.c.c. y c.c. todas las dendritas disponen la dirección
(1,0,0), lado del cubo, coincidiendo con los ejes longitudinales,
que corresponden a las normales a las isotermas que se suceden
en el enfriamiento, es lo que se denomina orientación preferente.
En la estructura h.c., como en el caso del zinc, la orientación
preferente es la altura de la celdilla, dirección (0,0,0,1).
Todos los granos dendríticos
son característicos en piezas obtenidas por solidificación
de metales puros.
Los granos dendríticos muestran
sus ejes longitudinales normales a las curvas isotermas que suceden
en el enfriamiento del líquido.
Los ejes longitudinales de las
dendritas corresponden a determinadas direcciones cristalográficas
de la estructura.
2.1.2. Justificación de la forma dendrítica.
El hallazgo de los hechos siguientes:
| 1- | Ejes longitudinales de las dendritas coincidentes con una dirección cristalina definida, orientación preferente. |
| 2- | Forma alargada de los granos, normal a las isotermas de enfriamiento. |
| A- | Los embriones de sólidos se forman con una dirección preferente específica normal a las isotermas, y en aquellas de menor nivel. |
| B- | La velocidad de crecimiento de los embriones es mayor en la dirección preferente específica que en las restantes. |
Con estas hipótesis, queda
justificado el crecimiento preferente del grano en su dirección
longitudinal.La forma dendrítica se
justifica por la mayor velocidad de crecimiento de los embriones
en las direcciones preferentes en la estructura cristalina.2.1.3. Características del molde
Cada uno de los moldes de colada
empleados define su propia curva de enfriamiento, la que se puede
parametrizar por:
a) Velocidad de enfriamiento del
líquido, a.
b) Grado de subenfriamiento, DT.
c) tiempo de solidificación,
ts.
La cuantificación de estos
parámetros para cada molde se ha indicado en la tabla 5.1
de registro de datos. En las figuras 5.9 y 5.10 representamos
la posible correlación gráfica entre los parámetros
de enfriamiento (a, DT,
ts) con el parámetro M0,
masa útil del molde, que puede representar una causa principal
de la velocidad de enfriamiento.
Se puede observar como los parámetros
que definen el enfriamiento del metal están correlacionados
linealmente con la masa del molde que actúa como enfriador,
velocidad de enfriamiento, a, y grado
de subenfriamiento, DT, de forma directa,
y el tiempo de solidificación, ts,
de forma inversa.
La naturaleza del molde se correlaciona
con el grado de subenfriamiento, directa, y tiempo de solidificación,
inversa, en el proceso de colada de un metal.
En la tabla 5.1 se recogen los
parámetros indicadores de la cinética del enfriamiento
y las dimensiones estándar de las dendritas formadas.
Anteriormente se apuntó sobre los mecanismos que regulan
la conformación policristalina, asignándole a la
velocidad de nucleación de embriones estables, Vn, un papel preponderante. Podemos plantear
la hipótesis de que:| a) | La velocidad de enfriamiento, Ve, del molde, gobierna el tamaño de las dendritas, a x l, a través del número de dendritas formadas, n. |
| b) | El número de dendritas, n, es consecuencia directa de la velocidad de nucleación de embriones estables, Vn. |
| c) | La velocidad de nucleación está controlada por el grado de subenfriamiento, DT. |
| d) | El subenfriamiento es consecuencia de la velocidad de enfriamiento, Ve, que es la variable de entrada en el proceso. |
En un diagrama de bloques tendríamos:
La correlación entre velocidad
de enfriamiento, Ve, variable de entrada
del proceso y el tamaño de la dendrita, a x l, variable
de salida del producto, está definida por la función
ft resultante de las anteriores fi de modo que:
(5.1)COMPROBACION DE LA HIPOTESIS a(l) = ft
(Ve)
En la figura 5.11 se han representado
gráficamente las diferentes velocidades de enfriamiento
registradas según el tipo de moldes, A, B, C, D, y las
dimensiones medias de las dendritas, tabla 5.1.
Puede observarse que la gráfica
se ajusta al modelo analítico:
(5.2)con un coeficiente de correlación R2
= 0.98, en el que a0 es el tamaño
mínimo de dendrita registrado.
Un modelo similar puede estable-cerse
con el grado de subenfriamiento, DT,
pues muestra una gran correlación con su causa, la velocidad
de enfriamiento, tal como se reflejó en la figura 5.9,
y que se indica en la figura 5.12
Figura 5.11. Correlación entre velocidad de enfriamiento, Ve, y tamaño de las dendritas, a x l.
Figura 5.12. Correlación entre la velocidad de enfriamiento, Ve y el grado de subenfriamiento, DT.
La velocidad de enfriamiento
en la solidificación, y su consecuente grado de subenfriamiento,
controla el tamaño de grano dendrítico. Mayores
velocidades de enfriamiento determinan menores tamaños
de grano.
2.1.5. Influencia de la velocidad de enfriamiento
Hemos experimentado como la velocidad
de enfriamiento, y su consecuente grado de subenfriamiento, DT, controla el tamaño de las dendritas,
lo que es consecuencia a su vez de la velocidad de nucleación
de embriones, Vn, en el sentido de que
un aumento de ésta, implica una disminución en el
tamaño de grano.
En cierto modo, la velocidad de
nucleación vendrá determinada por el grado de subenfriamiento
a través de la evaluación del tamaño crítico
del embrión a partir del cual éste es estable. Si
definimos DGv
como la diferencia de energía libre, por unidad de volumen,
de las fases líquida y sólida, la variación
de energía libre DG, por la
transformación de líquido a sólido en un
embrión esférico de radio r vendrá definida
por:
(5.3)Por otra parte, habrá aumentado
la energía libre por la formación de la superficie,
interfase líquido-sólido. Si ésta se cuantifica
unitariamente por DGs,
la variación de energía libre por este concepto,
para el embrión de radio r, se define por:
(5.4)La variación total de energía
libre DG será:
(5.5)La representación de esta
función se observa en la figura 5.13. A partir del punto
en que la energía comienza a descender, el embrión
es estable. Este radio crítico r* toma el valor:
(5.6)
(5.7)Suele admitirse que DGs es indepen-diente de la temperatura, y que
DGv es función
de esta variable, siendo igual a cero a la temperatura de fusión,
por todo lo cual, se deduce que la cantidad de núcleos
estables aumentarán con la disminución del radio
crítico y éste con el grado de subenfriamiento.
Se puede suponer una correlación de las velocidades de
nucleación y crecimiento con el grado de subenfriamiento
como indica la figura 5.14, continuamente creciente, aún
cuando en sustancias orgánicas se ha apreciado un punto
máximo debido a efectos de viscosidad.
Las velocidades de nucleación
de embriones aumenta con el grado de subenfriamiento por disminución
del diámetro crítico estable.
