Formación de cristales y segregación en la solidificación de aleaciones

Zona Central y Formación de Cristales Equiaxiales

En la zona central de la solidificación, se forman cristales equiaxiales. Este proceso se debe a dos tipos de gradientes térmicos (DT):

• DT Térmico: El molde retira calor rápidamente.
• DT Constitucional: El DT es mayor en el centro del lingote debido al solapamiento de las zonas de DT constitucional, lo que lleva a la nucleación y crecimiento de nuevos cristales equiaxiales.

Efecto de la Contracción

El líquido remanente que rodea a las dendritas no puede fluir hacia el centro, lo que provoca contracción en los espacios interdendríticos. Esto resulta en pequeños huecos o poros, que pueden eliminarse mediante conformación plástica.

Segregación en Lingotes y Fundiciones

La segregación influye en la microestructura final del lingote. Los factores que contribuyen a la segregación incluyen:

1. Soluto añadido.
2. Elementos impureza.
3. Solutos procedentes de los minerales.
4. Restos de revestimientos.
5. Gases.
6. Inoculantes añadidos para favorecer la microestructura en el lingote.

Tipos de Segregación

1. Macrosegregación

Puede causar modificaciones importantes en la composición a lo largo del lingote, resultando en propiedades diferentes. Los factores que contribuyen a la macrosegregación son:

• La contracción térmica debido a la solidificación y a la diferencia de temperatura.
• Las diferencias de densidad en el líquido interdendrítico.
• Las diferencias de densidad entre el sólido y el líquido.
• Las corrientes de convección impulsadas por la temperatura e inducidas por las diferencias de densidad del líquido.

La macrosegregación solo puede eliminarse con un buen control del proceso de solidificación.

2. Microsegregación

Ocurre en la distancia de separación de los brazos secundarios de las dendritas. Está asociada a la estructura celular debida al DT constitucional. La segregación dendrítica da lugar a brazos dendríticos con menor concentración de soluto que el líquido circundante, que tiene una concentración de soluto elevada. La microsegregación puede mitigarse mediante homogeneización posterior del lingote.

Porosidad

La porosidad se debe a dos causas:

• Evolución gaseosa.
• Contracción de volumen durante la solidificación.

Si la solidificación es rápida, los solutos no tienen tiempo de escapar y se segregan en el líquido. Las altas concentraciones de gas en ciertas zonas provocan la nucleación y crecimiento de burbujas en la interfase sólido/líquido. Estas burbujas, llamadas sopladuras, crecen de forma esférica. Las sopladuras pueden no ser perjudiciales si el lingote se somete a conformación plástica. La combinación de contracción y evolución de gas produce una porosidad fina e irregular.

Solidificación Eutéctica

La fase líquida se transforma en las fases α+β (L ⇌ α+β) a la temperatura de equilibrio. Las características de un diagrama eutéctico son:

• Completa miscibilidad en la fase líquida y parcial solubilidad en la fase sólida.
• Las líneas de solidus y liquidus tienen un coeficiente de reparto k < 1.

La característica fundamental es la mezcla íntima de dos fases, mostrando tanto las fases primarias como la estructura de las dos fases del eutéctico en forma de láminas o varillas.

Crecimiento de Eutécticos No Facetados

En los eutécticos normales, las dos fases que crecen presentan una estructura alternada en forma de láminas, cintas, varillas o fibras. Ambas fases están subenfriadas y las características de crecimiento dependen de:

• La dirección y flujo de calor.
• La interdifusión de los componentes.