La segregación puede definirse como la presencia de inhomogeneidad de composición en un material, causadas a menudo por un tiempo insuficiente para lograr la difusión durante la solidificación. Esta falta de difusión se debe a un enfriamiento fuera del equilibrio.

1. Trabajo Práctico: Segregación
 Cátedra:Tecnologíade la fundición
 Profesor:Dr. Ing. E. Maffia
 Alumno:Pino,HéctorDarío

2. Introducción
La segregación puede definirse como la presencia de inhomogeneidad de
composición en un material, causadas a menudo por un tiempo insuficiente para
lograr la difusión durante la solidificación. Esta falta de difusión se debe a un
enfriamiento fuera del equilibrio. Cuando hablamos de enfriamiento en equilibrio,
hablamos de disminución de la temperatura de manera muy lenta (tiempos de
enfriamientos muy largos). Tomemos por ejemplo una aleación como Cu-40% Ni
que se funde, y luego se enfría. La solidificación requiere que ocurra tanto la
nucleación como el crecimiento. La nucleación heterogénea permite poco o
prácticamente ningún subenfriamiento, por lo que la solidificación empezará
cuando el líquido llegue a la temperatura de liquidus. El diagrama de fases con la
isoterma trazada a la temperatura de liquidus, indica que el primer sólido que se
forma tiene una composición Cu-52% Ni. Se necesitan dos condiciones para el
crecimiento del sólido α:
 Primero, el crecimiento requiere que el calor latente de fusión, que se disipa
durante la solidificación del Iíquido, sea eliminado de la interface sólido
Iíquido.
 Segundo, y a diferencia de los metales puros, debe ocurrir la difusión tal de
manera que durante el enfriamiento las composiciones de las fases sólida
y líquida sigan las curvas de solidus y de liquidus. El calor latente de fusión
es eliminado a lo largo de un rango de temperaturas, y así a curva de
enfriamiento muestra un cambio en pendiente, en vez de una meseta plana.
Ilustración 1 - Diagrama de equilibrio y curva de enfriamiento para la aleación Cu - 40%Ni
Al inicio de la solidificación, el Iíquido contiene Cu-40% Ni y el primer sólido
contiene CU-52% Ni. Los átomos de níquel debieron difundirse y concentrarse en

3. el primer sólido que se formó. Pero después de enfriarse hasta 1 250°C, la
solidificación ha avanzado y el diagrama de fases indica que ahora todo el líquido
debe contener 32 por ciento de Ni y todo el sólido debe contener 45 por ciento de
Ni. Al enfriarse desde el liquidus hasta 1250°C, algunos átomos de níquel debieron
haberse difundido del primer sólido hasta el nuevo sólido, reduciendo el níquel del
primero. Además, se difunden átomos de níquel del líquido en solidificación hacia
el nuevo sólido. Entre tanto, los átomos de cobre se han concentrado, por difusión,
en el líquido restante. Este proceso deberá continuar hasta llegar a la temperatura
de solidus, donde el último líquido en solidificarse, que contiene Cu-28% Ni, lo
hace formando un sólido que contiene Cu-40% Ni. Justo debajo de la temperatura
de solidus, todo el sólido deberá contener una concentración uniforme de 40 por
ciento de Ni. Para poder conseguir esta estructura final en equilibrio, la velocidad
de enfriamiento debe ser extremadamente lenta. Debe permitirse el tiempo
suficiente para que los átomos de cobre y níquel se difundan y produzcan las
composiciones mostradas en el diagrama de fases.
Ilustración 2 - Estructuras de enfriamiento en equilibrio

4. En la mayor parte de las situaciones prácticas, la velocidad de enfriamiento es
demasiado rápida para permitir este equilibrio. Cuando el enfriamiento es
demasiado rápido para que se difundan los átomos y se produzcan condiciones de
equilibrio, aparecen en la fundición estructuras poco comunes.
Ilustración 3 - Estructuras de enfriamiento fuera de equilibrio
De nuevo, el primer sólido, que contiene 52 por ciento de Ni, se formará al
alcanzar la temperatura del liquidus. Al enfriarse a 1260°C, la isoterma indica que
el líquido contiene 34 por ciento de Ni y el sólido formado a esa temperatura
contiene 46 por ciento de Ni. En vista de que la difusión en los líquidos ocurre con
rapidez, se espera que la isoterma determine con precisión la composición del
líquido. Sin embargo, en los sólidos la difusión es comparativamente lenta. El
primer sólido que se forma aún tiene aproximadamente 52 por ciento de Ni, pero el
nuevo sólido contiene sólo 46 por ciento de Ni. Se puede determinar que la
composición promedio de sólido es 51 por ciento de Ni. Esto origina una línea de
solidus distinta fuera de equilibrio en relación con la dada en el diagrama de fases.
Conforme la solidificación continúa, la línea de solidus fuera de equilibrio se
seguirá separando del solidus en equilibrio. Cuando la temperatura alcanza
1240°C, es decir, llega a la línea de solidus en equilibrio, queda una cantidad

5. importante de líquido. El líquido no se solidificará completamente hasta enfriarse a
1180°C, donde el solidus fuera de equilibrio corta la composición original de 40 por
ciento de Ni. A esa temperatura, se solidifica el líquido conteniendo 17 por ciento
de Ni, lo que da un sólido con 25 por ciento de Ni. Por tanto, el último líquido en
solidificarse contendrá 17 por ciento de Ni, y el último sólido que se formará
contendrá 17 por ciento de Ni. La composición promedio del sólido es de 40 por
ciento de Ni, pero su composición no será uniforme. La posición real de la línea de
solidus fuera de equilibrio y la temperatura final del solidus fuera de equilibrio
dependen de la velocidad de enfriamiento. Velocidades de enfriamiento más
rápidas generan mayores desviaciones respecto al equilibrio.
Micro segregación y macro segregación
En metales vaciados comercialmente, la intercara sólido-líquido es dendrítica. La
morfología dendrítica da lugar a rechazo lateral de soluto y rechazo longitudinal de
soluto desde el sólido que solidifica. El transporte longitudinal de soluto da lugar a
macro segregación a lo largo de las direcciones paralelas al eje dendrítico, y el
transporte lateral de soluto da lugar a micro segregación a lo largo de direcciones
perpendiculares a los ejes dendríticos.
Ilustración 4 - Transportes lateral y longitudinal de soluto
Macro segregación
Durante el desarrollo de la región de crecimiento columnar a veces sucede que las
dendritas crecen con una longitud aproximadamente constante. En estas
condiciones, las dendritas tienen una forma casi de estado estacionario. Los
experimentos han demostrado que cuando un arreglo de dendritas crece a
longitud casi constante hay muy poca macro segregación en la dirección
longitudinal, aún cuando haya convección severa en el líquido al frente del arreglo
que avanza. Todo el soluto se rechaza lateralmente, de modo que sólo se obtiene
una micro segregación en la dirección lateral. Sin embargo, cuando el arreglo de
dendritas está sufriendo un cambio en longitud, se observa una macro
segregación en la dirección longitudinal. En la parte superior de la ilustración 5 se

6. observa una sección delgada del colado. El arreglo dendrítico se forma en la pared
y conforme avanza hacia la derecha continúa incrementándose en longitud
(tiempo t1) hasta que la base del arreglo se ha movido una distancia l. Después de
este punto el arreglo de dendritas avanza una longitud constante (estado
estacionario tiempos t2 y t3). Cuando las puntas de la dendrita alcanzan la línea
central, encuentran dendritas que avanzan en la dirección opuesta (suponiendo
que no hay granos equiaxiales). En consecuencia, el arreglo de dendritas
disminuye en longitud en una región de longitud L a uno u otro lado de la línea
central del colado. La macro segregación observada conforme cambia la longitud
del arreglo se muestra en la parte inferior de la ilustración 5.
Ilustración 5 - Arreglo dendrítico de estado estacionario
La composición es mayor que la composición original Co en la región en donde las
dendritas se alargan en la pared. También es más alto que Co en donde las
dendritas se acortan en la región de la línea central, dado que hay alimentación de
líquido adecuada hacia esta región de la línea central, como es frecuentemente el
caso. La segregación en la pared se llama segregación inversa debido a que se
invierte con respecto a la segregación normal que se origina con una intercara
plana. La segregación en el centro se llama segregación de línea central.
Este fenómeno ha sido bastante bien analizado teóricamente. Los metales sufren
una contracción volumétrica, ΔV, con la solidificación. Por consiguiente, cuando el

7. metal de la base del arreglo dendrítico solidifica, el fluido fluye por los canales
interdendríticos para llenar el ΔV de solidificación. Los análisis demuestran que la
segregación es una función de la relación de esta velocidad de flujo interdendrítico
a la velocidad de avance de la intercara. Cuando la relación es menor que el valor
de estado estacionario, se obtiene una segregación inversa positiva como se
muestra en la figura 5. La cantidad de segregación es una función de la
contracción volumétrica al solidificar y de la longitud de la dendrita. De aquí que la
macro segregación debida al flujo de fluido interdendrítico se encuentra
principalmente en aleaciones de Al y Mg. Sin embargo, aun en estas aleaciones
este efecto no es muy grande, y cambia generalmente la concentración desde Co
por solamente unas pocas unidades de porcentaje en peso.
Micro segregación
Como se vio antes, en la solidificación dendrítica virtualmente todo el soluto es
rechazado en la dirección lateral mostrada en la ilustración 4. Esto da origen a una
segregación en la dirección lateral desde el tronco de dendrita hacia el líquido,
como se muestra en la ilustración 3. Esta segregación se denomina micro
segregación debido a que se extiende por una longitud del orden de medio
espaciamiento dendrítico, alrededor de 0.015-0.15 mm. Desde un punto de vista
práctico, a menudo se desea eliminar la micro segregación en una aleación colada
por homogeneización a altas temperaturas. Al calentar la fundición a una
temperatura por debajo de la temperatura de solidus fuera de equilibrio, los
átomos de soluto en los centros de las dendritas se difundirán hacia las regiones
interdendríticas; los átomos de la matriz se difundirán en dirección opuesta. La
ilustración 6 muestra un ejemplo de este fenómeno en una aleación Cu-Ni.

8. Ilustración 6 - Reducción del gradiente de concentración (micro segregación) por contra difusión de átomos de Cu y Ni
Por consiguiente, la difusión debe hacer que un átomo promedio se mueva una
distancia A, donde 2A es el espaciamiento dendrítico.
El tiempo de homogeneización puede escribirse como:
t(homog.)=O.167 A²/D
Donde D es el coeficiente de difusión de la primera ley de Flick (es la velocidad de
difusión del soluto en la matriz).
Este resultado demuestra que es muy importante minimizar el espaciamiento entre
dendritas debido a que el tiempo de homogeneización varía con el cuadrado de A.
Los experimentos han demostrado que el espaciamiento dendrítico es una función
de la velocidad de solidificación, de manera muy semejante a como lo es el
espaciamiento eutéctico. Los datos para muchas aleaciones de aluminio se
muestran en la ilustración 6. En esta gráfica el espaciamiento es para brazos
secundarios de dendritas, los cuales son muchos más abundantes en los metales
colados que los brazos primarios. El tiempo de solidificación local es el tiempo
necesario para que el arreglo de dendritas pase cualquier punto en el colado y es,
desde luego, una medida de la velocidad de solidificación. Tal como se esperaba,
altas velocidades producen espaciamientos más pequeños. El espaciamiento
dendrítico final observado generalmente no es el mismo que el espaciamiento en
el arreglo dendrítico que solidifica originalmente desde el líquido, aunque están
estrechamente relacionados. Esto se debe a que al irse enfriando lentamente el

9. sólido, algunas de las dendritas mayores tienden a engrosar por difusión de
estado sólido a expensas de las dendritas más pequeñas.
En conclusión, hay dos puntos importantes:
1) el grado de micro segregación es solamente una función débil de la velocidad
de solidificación, y
2) la homogeneización de la micro segregación depende en gran medida del
espaciamiento dendrítico, el cual a su vez puede reducirse significativamente a
velocidades de solidificación más altas.
Ilustración 7 - Variación del espaciamiento de brazos secundarios de dendritas en función del tiempo de solidificación
local
La micro segregación puede causar fusión por micro segregación, es decir, la
fusión del material interdendrítico de menor punto de fusión a temperaturas por
debajo de la temperatura de solidus al equilibrio.
Sudación de estaño en bronces al estaño
Los bronces con bajos contenidos de estaño (8-15% en peso) son propensos a
sufrir un fenómeno de segregación inversa conocido como sudación de estaño. El
último líquido en el centro de la fundición viaja a través de los poros
interdendríticos para llenar los espacios vacíos que se generan en las superficies
de los moldes debido a la contracción durante la solidificación. Este líquido tiene
composición 25,5% Sn, el cual al solidificarse forma una capa de eutectoide de
color plateado. Los bronces al plomo estaño sufren el mismo fenómeno, en este
caso el eutectoide presenta glóbulos de plomo en la región exudada. La ilustración

10. 8 muestra una imagen de la sección transversal de una fundición de bronce al
plomo estaño, donde en gris puede observase la sudación, en blanco los glóbulos
de plomo, y además se observan los canales interdendríticos que alimentan el
líquido desde el centro de la fundición hacia la superficie de la misma.
Ilustración 8 - ImagenSEM de una fundición de bronce al plomo estaño
Este fenómeno de sudación se debe a la contracción del metal durante la
solidificación y a la evolución gaseosa dentro del mismo, las cuales generan
presión en el metal líquido del centro, forzándolo a la superficie a través de los
poros interdendríticos.
Bibliografía
Verhoeven, John D. – Metalurgia física – Editorial Limusa
Askeland, Donald – Ciencia e ingeniería de los materiales – Thomson editores
https://books.google.com.ar/books?id=XgshBQAAQBAJ&pg=PA263&lpg=PA263&
dq=tin+sweat+on+tin+bronzes&source=bl&ots=oio47g2WJP&sig=ACfU3U0uW1O
_OhhpG4NqIIcbAuwEpb4g2w&hl=es-
419&sa=X&ved=2ahUKEwjlj5WZ04PjAhVxBtQKHbxHCwcQ6AEwBnoECAkQAQ#
v=onepage&q=tin%20sweat%20on%20tin%20bronzes&f=false