CGR

Determinación de parámetros térmicos y cinéticos asociados al enfriamiento y
solidificación de la aleación eutéctica Al-Cu en un molde metálico y su validación
mediante modelado mecanistico.
Profesor responsable: Dr. Carlos González Rivera
INTRODUCCIÓN
Hoy en día existen varios métodos de fabricación que implican la solidificación de aleaciones
metálicas como un proceso intermedio o una etapa final. En la mayoría de estos procesos, el
desempeño de los productos finales dependerá de la microestructura formada durante este
cambio de fase.
En los últimos años el empleo de software especializado para simular el llenado de moldes de
fundición con metal líquido, su enfriamiento, solidificación y formación de microestructura y
eventualmente la aparición de defectos por contracción se ha vuelto una práctica común para
el diseño de sistemas de colada y alimentación de piezas coladas en moldes de arena, moldes
refractarios y moldes metálicos.
Este tipo de software utiliza bases de datos de propiedades termofísicas de las aleaciones más
comunes, pero no cuenta con la información requerida para simular la solidificación de
aleaciones menos comunes o aun exóticas lo cual es una limitación relevante.
Por esta razón se requiere de métodos para generar la información de parámetros térmicos y
cinéticos que se requieren para simular el enfriamiento y solidificación de una aleación dada de
tal manera que los resultados de las simulaciones sean más cercanos a la realidad.
En este proyecto se aborda este problema con un caso simple, en donde se emplea la
calorimetría diferencial de barrido, que es el método de referencia, para obtener la capacidad
calorífica en función de la temperatura y el calor latente de solidificación de una aleación
eutéctica, así como el método alternativo de Newton para obtener calor latente y evolución de
fracción sólida.
Una de las variables que afecta las características microestructurales que presenta una aleación
durante su enfriamiento y solidificación es la velocidad de enfriamiento. Cuando se requiere
validar las predicciones de un modelo mecanístico con relación a las características
microestructurales observadas en una aleación solidificada experimentalmente, es necesario
que el enfriamiento simulado corresponda con las condiciones de enfriamiento operantes
durante la experimentación, por lo cual se requiere conocer cuantitativamente el flujo de calor
que abandona a la aleación experimental durante su proceso de enfriamiento y solidificación.
Si la transferencia de calor es representada mediante el empleo de un coeficiente global de
transferencia de calor, es necesario utilizar métodos que permitan extraer información
cuantitativa de este coeficiente a partir de curvas de enfriamiento experimentales
En este trabajo se pretende determinar las propiedades termofísicas requeridas para simular
una curva de enfriamiento experimental, los parámetros de crecimiento de grano así como el
coeficiente global de transferencia de calor en función de la temperatura asociada con una
aleación eutéctica inicialmente liquida, que se enfría y solidifica dentro de un molde metálico
empleando el procesamiento numérico de curvas de enfriamiento, el método de Newton y
determinaciones directas de la aleación experimental empleando Calorimetría Diferencial de
Barrido (DSC).
Con el propósito de validar los valores obtenidos de los coeficientes de transferencia de calor
en función de la temperatura, de los coeficientes de crecimiento de grano y de las propiedades
termofísicas determinadas mediante DSC y Newton, se elaborará e implementará también, en
un programa de computo, un modelo mecanístico de transferencia de calor y cinética de
solidificación, el cual será alimentado con los valores generados. Las curvas experimentales y
simuladas serán comparadas a fin de validar la metodología empleada.
HIPÓTESIS.
Mediante la implementación en un programa de computo, de un modelo mecanístico de transferencia
de calor y cinética de solidificación y empleando los coeficientes de transferencia de calor, de
crecimiento de grano y las propiedades termofísicas determinadas mediante DSC y Método de Newton,
como parte de este proyecto, es posible simular una curva de enfriamiento experimental asociada con el
enfriamiento y solidificación de una aleación eutéctica , inicialmente liquida que se enfría dentro de un
molde metálico
OBJETIVOS
• Realizar experimentación para obtener las curvas de enfriamiento de masas predeterminadas
de la aleación eutéctica bajo estudio en dos condiciones diferentes de enfriamiento, uno lento
( al aire ambiental) y el otro rápido ( enfriamiento con aire comprimido a flujo controlado).
• Determinar mediante DSC la capacidad calorífica en función de la temperatura en el intervalo
de interés así como el calor latente de fusión de la aleación eutéctica bajo estudio.
• Procesar numéricamente las curvas de enfriamiento para obtener los coeficientes globales de
transferencia de calor operantes. Aplicar el método de Newton para obtener la evolución de la
fracción sólida. Determinar los coeficientes de crecimiento eutéctico aplicando el método de
crecimiento libre.
• Validar la metodología empleada y la información generada, elaborando un modelo
mecanístico que simule el enfriamiento y solidificación de la aleación bajo estudio en un molde
metálico y emplearlo junto con la información generada de coeficientes de transferencia de
calor, capacidades caloríficas, calores latentes de fusión, densidad y parámetros de crecimiento
de grano para simular las curvas de enfriamiento experimental.
METAS
a) Implementar un arreglo experimental enfocado a obtener curvas experimentales de
enfriamiento asociadas con el enfriamiento y solidificación de una aleación eutéctica, inicialmente
liquida que se enfría dentro de un molde metálico. Diseñar y realizar experimentación para obtener
curvas de enfriamiento experimental de masas conocidas de la aleación eutéctica bajo estudio que
se enfrían y solidifican. Emplear las muestras generadas para establecer, mediante métodos
metalográficos la densidad de granos por unidad de volumen y obtener muestras para
determinaciones mediante DSC.
b) Determinar mediante DSC la capacidad calorífica en función de la temperatura y el calor latente
de solidificación de la aleación eutéctica bajo estudio en el rango de temperaturas de interés.
c) Obtener el coeficiente global de transferencia de calor operante a partir del procesamiento
numérico de las curva de enfriamiento experimentales Obtener el calor latente de fusión aplicando
el método de Newton.
d) Elaborar un modelo mecanístico que prediga la curva de enfriamiento de la aleación eutéctica
bajo estudio que se enfría y solidifica dentro de un molde metálico y emplear este modelo junto
con la información generada por el proyecto para simular las curvas de enfriamiento experimental y
validar la metodología empleada.
METODOLOGÍA.
• El estudio consiste en:( a) investigación bibliográfica, (b) obtención de curvas de enfriamiento
experimentales de masas conocidas de la aleación eutéctica bajo estudio en dos condiciones
diferentes de enfriamiento, (c) Emplear las muestras generadas para establecer mediante
métodos metalográficos la densidad de granos por unidad de volumen y obtener muestras para
determinaciones mediante DSC. (d) Determinar mediante DSC la capacidad calorífica y el calor
latente de fusión de la aleación bajo estudio, (e) Determinar los coeficientes globales de
transferencia de calor, las evoluciones de fracción sólida y los coeficientes de crecimiento de
grano, (f) Implementar en programa de computo, un modelo mecanístico para simular las
curvas de enfriamiento experimentales y emplear dicho modelo para validar la información
térmica y cinética obtenida de la metodología empleada.
INFRAESTRUCTURA
Se cuenta con la infraestructura requerida para la realización del proyecto
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
Semana
Actividades
1.Revisión , análisis de la bibliografía y comprensión de los métodos que
serán empleados.
2. Implementar un arreglo experimental enfocado a obtener curvas
experimentales de enfriamiento asociadas con el enfriamiento y solidificación
de una aleación eutéctica , inicialmente liquida que se enfría dentro de un
molde metálico
3. Diseñar y realizar experimentación para obtener curvas de enfriamiento
experimental de masas conocidas de la aleación eutéctica bajo estudio que se
enfrían y solidifican. Emplear las muestras generadas para establecer,
mediante métodos metalográficos la densidad de granos por unidad de
volumen y obtener muestras para determinaciones mediante DSC.
3 Determinar mediante DSC la capacidad calorífica de la aleación bajo estudio
en función de la temperatura en el intervalo de interés así como el calor
latente de fusión.
4 Obtener el coeficiente global de transferencia de calor operante en función
de la temperatura a partir del procesamiento numérico de las curvas de
enfriamiento experimentales Obtener la evolución de fracción solida
aplicando el método de Newton, obtener los coeficientes de crecimiento de
grano.
5 Planteamiento e Implementación en un programa de computo de un
modelo mecanístico para simular las curvas de enfriamiento experimentales
y validación de los procedimientos empleados. Simulación de las curvas de
enfriamiento experimental.
6. Análisis de resultados y escritura del informe final
Semana
1, 2, 3
2,3,4,5
5,6,7,8,
9,10
9,10
7,8,9,10,
11, 12,
11,12, 13,
14