Solidificación de Metales: Estructura, Nucleación y Crecimiento

Solidificación de Metales

Transformación de Líquido a Sólido Cristalino

La solidificación es la transformación de un líquido no cristalino a un sólido cristalino. Este proceso ocurre mediante la nucleación y el crecimiento de un sólido en el seno de un líquido.

Nucleación de Sólidos en Líquidos

La nucleación es una transformación discontinua donde las fases sólida y líquida coexisten simultáneamente. A presión constante, la temperatura de equilibrio sólido/líquido es igual a la temperatura de fusión. El líquido se subenfría una cantidad ΔT, y a esta temperatura, el sólido nuclea y cede el calor latente, elevando la temperatura hasta la temperatura de fusión (Tf). Los núcleos crecen, y al finalizar la solidificación, no hay calor latente, y la temperatura del sólido desciende.

Nucleación Homogénea

La nucleación homogénea se produce cuando el líquido fundido alcanza un elevado grado de subenfriamiento, creando numerosos núcleos homogéneos por el movimiento lento de átomos. Si el radio del núcleo (r) es mayor que el radio crítico (rc), el sistema disminuye la energía libre de Gibbs (G) a medida que el sólido crece.

Nucleación Heterogénea

En los metales líquidos, existen impurezas en el líquido o en las paredes del molde. En este caso, la nucleación se denomina heterogénea y ocurre a una temperatura mayor que la homogénea, siendo energéticamente más favorable. El subenfriamiento necesario para alcanzar un radio crítico es mucho menor y depende de la mojabilidad del líquido. Si el enfriamiento es muy rápido, no se alcanza el estado cristalino, obteniéndose un sólido amorfo.

Crecimiento de Sólidos en Líquidos

El crecimiento de sólidos en líquidos depende de la forma en que se extrae el calor del sistema sólido-líquido. Dos factores importantes son:

• Calor específico del líquido: calor requerido para cambiar un grado la temperatura de una masa unitaria de material.
• Calor latente de fusión: calor puesto en juego en el cambio de estado.

La temperatura de interfase de equilibrio es igual a la Tf. Para que el cristal crezca, la temperatura de la interfase debe ser menor que Tf.

Crecimiento Planar vs Dendrítico

Cuando la temperatura del líquido está por encima de la temperatura de solidificación, una protuberancia en la interfase sólido-líquido no crecerá. El calor latente se elimina de la interfase a través del sólido.

Si el líquido está subenfriado, una protuberancia en la interfase sólido-líquido puede crecer rápidamente en forma dendrítica. El calor latente de fusión es absorbido por el líquido subenfriado, que eleva su temperatura hasta la temperatura de solidificación.

Estructura de Solidificación: Lingote

Un lingote es un bloque de metal moldeado con una forma simple que se convierte en otras formas mediante procesos de deformación. Cuando una pieza metálica se fabrica mediante un proceso de solidificación (fundición), presenta una estructura típica que se denomina estructura de colada. Esta estructura se divide en tres zonas:

• Zona fría: el líquido en contacto con la pared del molde frío se enfría por debajo de su temperatura de solidificación. Esto favorece la nucleación heterogénea en la pared del molde, donde los cristales crecen hacia el interior del líquido. El crecimiento es de carácter dendrítico, formado por cristales equiaxiales, al azar y con un crecimiento limitado por los cristales vecinos.
• Zona columnar: los cristales se originan a partir de la zona fría de aquellos cristales que tienen una orientación favorable para el crecimiento rápido, hacia el centro del lingote y en sentido contrario al flujo del calor. Los cristales presentan un crecimiento dendrítico o planar dependiendo del subenfriamiento. El calor se extrae del lingote por radiación y conducción a través del sólido.
• Zona equiaxial: El líquido en el centro del lingote puede llegar a subenfriarse por efecto térmico y/o constitucional, lo que produce la aparición de cristales equiaxiales de crecimiento dendrítico. El crecimiento columnar se detiene y se forma una zona equiaxial, que presenta un comportamiento isotrópico.

Estructura de la Solidificación: Defectos

Efecto de la Contracción

Muchos metales al solidificar se contraen hasta un 7%, lo que provoca importantes consecuencias en la estructura final del lingote.

Segregación en Lingotes y Fundiciones

• Macrosegregación: cambios de concentración a lo largo de toda la pieza, solo puede combatirse controlando el proceso de solidificación.
• Microsegregación: distancia correspondiente a la separación de los brazos secundarios de las dendritas, puede suavizarse por homogeneización (tratamiento de recocido).

Porosidad

La porosidad se debe a la oclusión de gases durante la solidificación y a la contracción de volumen que acompaña a la solidificación.