2 do laboratorio de metalurgia física i

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METALÚRGIA FÍSICA 1 – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA

2DO LABORATORIO DE METALURGIA FÍSICA I
I. TÍTULO:
SOLIDIFICACIÓN DE UN LINGOTE DE ALUMINIO Y ALEACION
ALUMINIO-SILICIO

II. 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

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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 .


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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.


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-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 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 y
por 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 recipiente
que los contiene:


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-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


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anisotrópico. Para que un nucleante (creador de centros de nucleación) 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.

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 temperatura
por encima de la inter-cara solido-liquido, es mayor a la temperatura de fusión del
metal.
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.


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La distribución de temperatura para una solidificación con gradiente positiva se
muestra 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 bien
definidos (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 paralela
a 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 +
)

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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 y
crea en la interface. Conforme crece la dendrita el calor latente de fusión pasa al
liquido subenfriado, elevando la temperatura de solidificación .En los troncos de las
dendritas primarias también pueden crecer brazos secundarios y terciarios para
acelerar la liberación de calor latente de transformación.

El crecimiento dendrítico continúa hasta que el liquido subenfriado alcanza la
temperatura de solidificación

La diferencia entre el crecimiento dendrítico y el planar ocurre debido a las distintas
formas de disipar el
calor latente de
fusión

FIGURA: crecimiento dendrítico: gradiente negativo

CARACTERISTICAS 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.


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-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 metales
de relativa alta pureza es casi imposible obtener el sobrecalentamiento térmico para
que todo el proceso sea dendrítico.

En los metales puros se requiere un sobrecalentamiento muy grande (del orden de
100°C).

*Longitud de la dendrita: La longitud de las dendritas se encuentra por la siguiente
fórmula: 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.


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-La rapidez en la cual crece el sólido depende de la velocidad de
enfriamiento 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


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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 de
fuerzas que libera a los átomos juntos. En consecuencia conforme se agrega calor, los
enlaces que unen a los átomos se rompen y los átomos son libres de moverse como un
líquido.Cuando solidifica un lingote ocurren tres fases separadas en distintas
características 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 lingote
generalmente hay muchos pequeños granos equiaxiales suspendidos en todas partes.
a medida que continúa la solidificación, estos pequeños granos empiezan a crecer
juntos hasta que finalmente bloquea en forma efectiva el movimiento hacia adentro
de los granos columnares. este punto se llama “transición de columna a equiaxial”.de
nuevo las intercaras sólido –liquido de estos granos flotantes son dendríticos.

Por medio de un control apropiado es posible obtener granos y totalmente columnares
o totalmente equiaxiales. a fin de obtener una transición de columnar a equiaxial en
un lingote, es evidente que los granos equiaxiales deben: Ser producidos en el centro
del lingote y no fundir en la región central más caliente.


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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.


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Debido a la rapidez con la que desciende la temperatura del líquido, resulta
usualmente una considerable magnitud de sobre enfriamiento. Cuando ocurre la
nucleación (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 serán
causales. Finalmente como el crecimiento es limitado por cristales vecinos similares
nucleados a tiempos aproximadamente idénticos, sus zonas serán casi uniformes y su
estructura se dice que es casi equiaxial. Los cristales en la zona de enfriamiento rápido
se desarrollan tanto por nucleación como, por crecimiento. Los núcleos cristalinos se
forman en el líquido y crecen en tamaño hasta que hacen contacto con los cristales
vecinos.

La solidificación es el proceso inverso, el calor que emite el metal fundido debe
disiparse.
La solidificación de metales y aleaciones es un importante proceso industrial ya que la
mayoría de los metales se funden para moldearlos hasta una forma acabada o
semiacabada. En general, la solidificación de un metal o aleación puede dividirse en las
siguientes 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:


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 PROPIEDADES MECANICAS DE PIEZAS FUNDIDAS:

Las propiedades mecánicas pueden ser controladas, por la adición de átomos
sustitucional e intersticial, los cuales interfieren en el movimiento o deslizamiento de
las dislocaciones.
Las propiedades mecánicas del aluminio más interesantes son: su débil resistencia
mecánica, y su gran ductilidad y maleabilidad, que permite forjarlo, trefilarlo en hilos
delgadísimos y laminarlo en láminas o panes tan finos como los del oro, hasta de un
espesor de 0,0004 mm (0,4 micras). A la temperatura de 500ºC se vuelve frágil y se
puede pulverizar fácilmente. Controlando el proceso de solidificación podemos
obtener buenas propiedades como:

Ductilidad:

En la solidificación, un metal deformado se lleva a una temperatura de recocido
entonces mientras tenga mayor porcentaje de deformación habrá elevados centros de
nucleación y alta velocidad de nucleación por lo tanto el tamaño del grano será más
fino y el material será más dúctil.

 DEFECTOS DE SOLIDIFICACIÓN:

a. SEGREGACIÓN:

Los líquidos que han solidificado para formar aleaciones industriales, contienen
muchos elementos de impureza. Cuando solidifica una aleación, es que los elementos
de soluto presentan como elementos de aleación o como impurezas son más solubles
en estado liquido que en el estado sólido, este hecho conduce a una segregación en la
fundición terminada. La segregación de un soluto debido a una segregación dendrítica
puede ser eliminada mediante un tratamiento térmico conocido como recocido de
homogeneización.

En la composición no uniforme producida por la solidificación fuera de equilibrio, la
segregación también es conocida como segregación interdendrítica, o
microsegregación y algunas veces como segregación central la cual ocurre en cortas
distancias entre los pequeños brazos dendríticos.

En las aleaciones que forman soluciones sólidas, los primeros núcleos dendríticos son
más ricos en elementos de punto de fusión más elevados que las capas sucesivas
formadas a menor temperatura y esta diferencia en la composición del centro al borde
una dendrita puede subsistir si el intercambio atómico y la difusión se produce


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lentamente. Con enfriamiento rápido los elementos disueltos son atrapados
prontamente entre las dendritas, y en estas condiciones la estructura no es peligrosa
porque las dendritas están bien distribuidas y se pueden romper con facilidad durante
el trabajo en caliente.

Cuando el acero líquido, que es un material complejo solidifica en el molde, hay
invariable, cierta segregación o dispersión desigual de los elementos o componentes
que produce alguna especie.

b. CONTRACCIÓN
La contracción ocurre en tres etapas. Uno de los problemas más importantes en el
proceso de fundición son los de la contracción. La cantidad de contracción que ocurre
varía según el material que se funde, pero también está influenciado por el
procedimiento y técnicas de fundición.

Las tres etapas de contracción que ocurre conforme disminuye la temperatura, desde
la temperatura de fundido hasta la temperatura de ambiente normal, se ilustra en el
siguiente gráfico.

FIGURA: Contracción de una fundición cilíndrica durante la solidificación y
enfriamiento: (0) niveles iniciales inmediatamente después del vaciado; (1) reducción
del nivel causada por la contracción del líquido en el enfriamiento; (2) reducción de la
altura y formación de la bolsa de contracción; y (3) reducción posterior de la altura y
diámetro debida a la contracción térmica durante el enfriado del metal sólido.


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c. RECHUPE
Se presenta cuando la superficie se enfría más lentamente que las otras. En cualquiera
de estos casos la fundición es defectuosa; estos defectos se detectan por tener una
cavidad áspera. Para eliminar los rechupes es necesario utilizar alimentadores,
mazarota, montante o risers. Para esto es necesario que la solidificación sea
direccional primero solidifique la pieza luego el neck o cuello y finalmente la mazarota.

d. POROSIDAD
La porosidad de una fundición puede amplificarse por la evolución de gas antes y
durante la solidificación. El gas puede formar bolsas o burbujas o puede entrar en los
vacíos de micro porosidad para alargarlos. Se detecta estos defectos por ser brillantes
en su cavidad.


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 PROPIEDADES DE LA ALEACIÓN AL-SI: RESISTENCIA Y
EXPANSIÓN TÉRMICA

Como 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 y
W. Este añadido provoca unas buenas propiedades de moldeo, soldabilidad y
resistencia a la corrosión, incluso en ambientes marinos. En general, estas aleaciones
son más resistentes y dúctiles que las aleaciones de Al-Cu. Esto se debe a la micro
estructura. El sistema binario Al-Si forma un eutéctico a 577ºC y una composición del
11.7%, 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 o
directamente durante la precipitación a partir del líquido. En los procesos de colada no
se alcanza un equilibrio total apareciendo Si libre. Se suele añadir Na o Fe para
desplazar el eutéctico a la derecha, 14%, y disminuir su temperatura en una reacción
de modificación. Luego el Si precipita de forma dispersa y uniforme en vez de placas
alargadas.

Al existir numerosos precipitados dispersos se dificulta el desplazamiento de
dislocaciones y a su vez de grietas aumentando la resistencia. Además se provoca una
disminución del coeficiente de expansión térmica debido a la disminución de grandes
límites de granos evitándose así el choque de las deformaciones de dos fases distintas
a lo largo de estos.


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Estas aleaciones se utilizan en tratamientos térmicos con precipitación a alta
temperatura. Por esto se utiliza en pistones donde se requieren propiedades de alta
resistencia y choque térmico. También podemos encontrar estas composiciones de
aluminio en la fabricación de turbinas de aviación.

Las aleaciones de ALUMINIO- SILICIO son de gran aplicación por sus excelentes
cualidades para la fundición y su resistencia a la corrosión; no son quebradizas en
caliente y es fácil obtener con ellas fundiciones sólidas en secciones gruesas o
delgadas, la más comúnmente utilizada es la que contiene 5% de silicio, se solidifica
normalmente con una gruesa estructura hipereutéctica que se modifica antes de
fundirse por la adición de una pequeña cantidad de sodio para darle una estructura
fina eutéctica de mayor resistencia mecánica y tenacidad, el contenido de hierro debe
ser bajo para evitar la fragilidad.

Las aleaciones de aluminio-magnesio son superiores a casi todas las otras aleaciones
de fundición de aluminio en cuanto a resistencia, corrosión y maquinabilidad; además
de 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; es
conveniente que sean ligeros, de baja dilatación térmica y de buenas propiedades a
temperaturas elevadas.

FIGURA: pistones fabricados con la aleación Al-Si


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 CARACTERISTICAS DEL ALUMINIO

El aluminio es un metal plateado muy ligero. Su masa atómica es 26,9815; tiene un
punto de fusión de 660 ºC, un punto de ebullición de 2.467 ºC y una densidad relativa
de 2,7. Es un metal muy electropositivo y muy reactivo. Al contacto con el aire se cubre
rápidamente con una capa dura y transparente de óxido de aluminio que resiste la
posterior acción corrosiva.

Por esta razón, los materiales hechos de aluminio no se oxidan. El metal reduce
muchos 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 el
oxígeno del óxido; el calor de la reacción es suficiente para fundir el hierro. Este
fenómeno se usa en el proceso Goldschmidt o Termita para soldar hierro.

 ALGUNOS USOS DEL ALUMINIO

Un volumen dado de aluminio pesa menos que 1/3 del mismo volumen de acero. Los
únicos metales más ligeros son el litio, el berilio y el magnesio. Debido a su elevada
proporción resistencia-peso es muy útil para construir aviones, vagones ferroviarios y
automóviles, y para otras aplicaciones en las que es importante la movilidad y la
conservación de energía. Por su elevada conductividad térmica, el aluminio se emplea
en utensilios de cocina y en pistones de motores de combustión interna.

Solamente presenta un 63% de la conductividad eléctrica del cobre para alambres de
un tamaño dado, pero pesa menos de la mitad. Un alambre de aluminio de
conductividad comparable a un alambre de cobre es más grueso, pero sigue siendo
más ligero que el de cobre. El peso tiene mucha importancia en la transmisión de
electricidad de alto voltaje a larga distancia, y actualmente se usan conductores de
aluminio para transmitir electricidad a 700.000 voltios o más.

El metal es cada vez más importante en arquitectura, tanto con propósitos
estructurales como ornamentales. Los perfiles, las contraventanas y las láminas de
aluminio constituyen excelentes aislantes. Con el frío, el aluminio se hace más
resistente, por lo que se usa a temperaturas criogénicas. El papel de aluminio de 0,018
cm de espesor, actualmente muy utilizado en usos domésticos, protege los alimentos y
otros productos perecederos. La resistencia a la corrosión al agua del mar también lo
hace útil para fabricar cascos de barco y otros mecanismos acuáticos.

Se puede preparar una amplia gama de aleaciones recubridoras y aleaciones forjadas
que proporcionen al metal más fuerza y resistencia a la corrosión a las temperaturas
elevadas, algunas de las nuevas aleaciones pueden utilizarse como planchas de
blindaje para tanques y otros vehículos militares.


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IV. 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):


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Microscopio metalográfico (Neophot 21):

Cámaras:

V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

 Obtener los materiales: 2Kg de aluminio puro cortado y 2Kg de Aluminio pistón
(Aleación Al-Si).


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 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.


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 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.


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 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.


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 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).


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rx

hx

Rx

El % 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


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Calculamos 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


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 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.


29

VII. 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.


30

 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.


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