Solidificación de Metales y Materiales Compuestos: Imperfecciones, Fibras de Carbono, Vidrio y Aramida

Solidificación del lingote

Se vierte el arrabio en moldes cerámicos y se solidifica. Este proceso ocurre en varias etapas:

1) Nucleación

Una pequeña cantidad de átomos se enfría para ver si conviene cambiar de estado. Ocurre en varios lugares del material.

• Nucleación heterogénea: puede lograr que la nucleación ocurra en un solo lugar.
• Nucleación homogénea: requiere mayor resistencia a esfuerzos; al romper, la temperatura superficial se reduce y la nucleación se acelera.

2) Crecimiento

El resto de átomos sigue al núcleo.

Estructura

• 1) Estructura equiaxial externa: se produce por el subenfriamiento térmico causado por el molde frío.
• 2) Estructura columnar: sigue el gradiente de temperatura.
• 3) Estructura equiaxial interna: puede deberse a la nucleación heterogénea y a la detención del crecimiento columnar.

Imperfecciones

• Rechupe abierto (casi inevitable): se produce en la solidificación de la estructura equiaxial externa debido a la disminución del gradiente de volumen durante la solidificación.
• Rechupe cerrado: se forma en la superficie por una tensión superficial muy alta.
• Rechupe de varias cavidades: poros causados por gases sueltos o disueltos en el material líquido, inclusiones no metálicas (partículas de otros materiales), huecos por ausencia de material por solidificación antes del final o canales de escape cerrados.
• Grietas: problemas de contracción (ejemplo: soldadura).

Materiales compuestos

Los materiales compuestos pueden ser naturales (madera, bambú, músculos) o artificiales (plástico, hormigón armado, asfalto).

Composición

• 1° o matriz: se incorpora el refuerzo. Suministra la forma, mantiene el lugar del refuerzo, lo protege y comparte la carga aplicada.
• 2° o refuerzo: es la fase que refuerza la primera fase. Puede ser en forma de partículas, hojuelas o fibras.

Refuerzo: fibra de vidrio

Sirve para reforzar matrices plásticas. Características: bajo peso específico, mayor rigidez, capacidad de alargamiento, resistencia química, absorción de vibraciones, y además resistencia a la fatiga, facilidad de fabricación, excelente acabado y bajo costo.

Elaboración: se emplean vidrio, sílice, cal, alúmina y magnesita, que se trituran y se metan en un horno de fusión. El vidrio fundido alimenta una hilera y, a la salida de las hileras, los hilos son estirados mecánicamente con una dispersión acuosa que une los filamentos y protege el hilo. Propiedades: resistencia mecánica, características eléctricas, incombustibilidad, estabilidad dimensional, compatibilidad, débil conductividad térmica, permeabilidad dieléctrica y resistencia química.

Fibra de carbono

Refuerza matrices poliméricas (bajo peso, alta resistencia, tenacidad), aunque tiene un precio elevado. Se aplica en la industria aeroespacial y automotriz. Se aprovecha el C-C (carbono-carbono) para su fabricación.

1. Estabilización: las fibras PAN se estiran y oxidan en aire a 200 °C.
2. Carbonización: las fibras se calientan entre 1000 °C y 1500 °C hasta transformarse en fibra de carbono, eliminando O, H y N.
3. Grafitización: se eleva la temperatura por encima de 1800 °C, aumentando el grado de orientación.

Fibra aramida

Es un filamento orgánico proveniente del petróleo. Existen dos tipos:

• Kevlar 29: menor densidad, mayor resistencia; se usa en chalecos antibalas, cuerdas y cables.
• Kevlar 49: menor densidad, mayor resistencia y mayor módulo; se usa en la industria aeroespacial, marina y automotriz.

Matriz

La matriz sostiene la fibra, transmite y absorbe los esfuerzos hacia la fibra, y protege contra agresiones externas, además de mejorar el acabado superficial.

1) Polimérica

• Termoestables: en estado líquido o viscoso.
• Termoplásticos: en estado sólido (polvo, grano o pellet) que se funden con el calor, se moldean bajo presión y conservan su forma al enfriarse.

2) Metálica

Refuerzo con fibra continua.