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CONTROL DE CALIDAD EN EL DISEÑO

1. Heterogeneidades físicas en la solidificación de metales

1.1. Heterogeneidad estructural

En la producción de metales, los metales en estado líquido se suelen verter a lingoteras para

su solidificación. Cuando un metal líquido solidifica dentro de una Iingotera metálica cilíndrica

de altura notable en relación con el diámetro, el flujo de calor es horizontal y radial. En la

Figura 1 se muestra la formación de la estructura columnar.

Figura 1. Formación de la estructura columnar.

Al comienzo del enfriamiento, éste se efectúa totalmente por cesión de calor a través del

sólido. Se formarán unos núcleos sólidos periféricos (dendritas) y aparecerá una estructura

columnar a modo de corteza concéntrica de la Iingotera. Con el transcurso del tiempo casi

todo el calor latente es cedido a través del líquido y el crecimiento de las dendritas es muy

lento. En este momento se produce en el líquido una solidificación uniforme en toda la masa,

frenando el crecimiento de las dendritas.

Terminada la solidificación, la sección transversal del lingote presentará unas zonas claramente

diferenciadas desde la periferia al centro del lingote:

- Zona periférica, de granos muy pequeños orientados al azar.

- Dendritas orientadas hacia el interior de la lingotera (estructura columnar).

- Zona interna de cristalización globular.

La estructura columnar ofrece interés en aquellos casos en que se desean ciertas propiedades

direccionales.

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1.2. Rechupe

La densidad de un metal en estado líquido es generalmente inferior a la densidad de ese

mismo metal solidificado. Por consiguiente en casi todos los metales se produce una

contracción al solidificar, lo que se denomina rechupe. Este fenómeno comprende tanto la

contracción macroscópica (la cual es medible), como la contracción microscópica que aparece

en los espacios interdendríticos. El rechupe es un fenómeno inevitable, sólo se puede actuar

sobre su posición, forma y dispersión.

El rechupe macroscópico se localiza en el sitio en que el metal líquido solidifica en último

término, lo que depende de la dirección y flujo de calor en el enfriamiento, tal como se

muestra en la Figura 2. En condiciones ideales, en que la pieza permaneciera isoterma en

todos sus puntos durante la solidificación y enfriamiento, las dimensiones exteriores de la

pieza variarían uniformemente sin producir ningún hueco.

Figura 2. La localización del rechupe depende de la dirección del flujo de calor en el

enfriamiento.

1.3. Sopladuras

En estado fundido los metales suelen retener gran volumen de gases en disolución o en forma

de compuestos líquidos inestables. Cuando la temperatura del fundido desciende hasta el

umbral de la solidificación, se produce una rápida disminución de la solubilidad y los gases se

desprenden del metal líquido; su desprendimiento prosigue a lo largo de todo el proceso de la

solidificación. Cuando el desprendimiento de gases se opera en un metal casi totalmente

solidificado, que no permite su salida, los gases quedan retenidos: parte en las porosidades

interdendríticas, y parte en el interior de cavidades de la masa metálica aún plástica. Estas

cavidades, que reciben el nombre de venteaduras o sopladuras, pueden ser periféricas o

internas. Todas estas porosidades, venteaduras, etc. reducen la sección útil de las piezas

moldeadas y disminuyen su resistencia.

Un caso particularmente notable de venteaduras, que por su importancia merece atención

específica, es el de las sopladuras provocadas por el CO que se desprende en la solidificación

de aceros. En estado líquido, el oxígeno y el carbono en soluci6n, reaccionan para dar

monóxido de carbono que tiende a desprenderse. Se llama acero calmado al desoxidado en

grado suficiente como para evitar el desprendimiento de gas durante la solidificación. Esto

puede lograrse mediante adiciones de ferrosicilio y/o aluminio o bien por desgasificación al

vacío. Todos los aceros de C > 0.3 % son de tipo calmado, puesto que en ellos la cantidad de

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oxígeno disuelto en el liquido, por su equilibrio con el carbono, es pequeña. Los aceros con un

contenido de C entre 0.15 y 0.3 % son semicalmados, ya que el grado de desoxidación es

menor que el de los aceros calmados. En los aceros con un alto contenido de oxígeno en el

líquido y un porcentaje en carbono inferior a 0.15% C, la emisión gaseosa es muy grande y se

les denomina aceros efervescentes.

Figura 3. Sopladuras en diferentes tipos de aceros

1.4. Grietas

Se producen durante la solidificación del metal, debido a la contracción de volumen que se da

por la heterogeneidad en el enfriamiento. Pueden ser internas o externas.

1.5. Salpicaduras o gotas frías

Si en el borde del molde se salpica o deposita una gota de metal, éste solidifica antes que el

resto de la masa líquida. Esta gota no se integra al resto de la pieza fundida y produce un

defecto superficial.

1.6. Rebabas

Es el material sobrante que queda en un lingote si el metal fundido rebosa y solidifica fuera de

él.

1.7. Inclusiones

Las inclusiones son impurezas del metal, que dependiendo de su densidad, durante la

solidificación se concentrarán en la superficie o en el fondo. Algunas impurezas típicas son

Al2O3 y SiO2, que se forman por los aditivos desoxificantes. Estas impurezas modifican las

propiedades mecánicas del material y además los hacen más susceptibles a la corrosión.

1.8. Segregaciones

Son variaciones de composición que se dan en las aleaciones metálicas después de la

solidificación. Aparecen zonas con porcentajes de algunos elementos, que pueden ser mayores

(segregación positiva) o menores (segregación negativa) que los valores medios que tenían las

concentraciones de esos elementos en la aleación líquida. En los lingotes las máximas

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segregaciones positivas se presentan en la zona de la cabeza (última en solidificar) y las

mayores negativas, en el pie (primero en solidificar). En aceros, los elementos que se segregan

con más intensidad son azufre, carbono y fósforo, y los que menos se segregan son silicio y

manganeso.

2. Métodos de detección de defectos

El control de defectos en los materiales se hace mediante ensayos no destructivos, que

verifican la homogeneidad y continuidad de una pieza. La realización de estos ensayos es

obligatoria en la fabricación de piezas estructurales de alta importancia.

2.1. Ensayos por líquidos penetrantes

Estos ensayos se utilizan para detectar grietas, fisuras y entallas superficiales. Resulta una

técnica fácil y barata y puede aplicarse a todos los materiales. Se utilizan un líquido

luminiscente especialmente formulado que penetre y quede ocluido en los defectos. A

continuación se limpia la superficie y se aplica otro líquido que extrae el penetrante, dejando

al descubierto el defecto.

2.2. Microscopio metalográfico

Este tipo de microscopio es de uso común para el control de calidad y producción de metales y

aleaciones metálicas en los procesos industriales. Con ellos, es posible realizar mediciones en

los componentes mecánicos y electrónicos y permite además efectuar el control de superficie

y el análisis óptico de los metales. El objeto a estudiar se ilumina con luz reflejada, ya que las

muestras cristalográficas son opacas a la luz. El metal debe prepararse antes de la realización

de este ensayo mediante esmerilado y pulido y por ataque químico para hacer visibles las

características estructurales del metal o aleación.

2.3. Ensayos magnéticos

Sólo puede aplicarse para materiales ferromagnéticos y deja al descubierto defectos

superficiales e internos hasta una profundidad de 5-6 mm. La pieza debe magnetizarse

mediante un campo magnético o corriente eléctrica y se añade a la superficie de la pieza un

fluido magnético que deja al descubierto los defectos.

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Figura 4. Detección de defectos por ensayos magnéticos

2.4. Ensayos por corrientes inducidas (corrientes de Foucault)

Se puede utilizar en todos los metales, para detectar defectos superficiales e internos.

Además, también detectan diferencias en la estructura metalográfica. Se basa en los cambios

magnéticos producidos por una corriente inducida. La técnica más utilizada es la diferencial,

donde se utilizan dos bobinas: la de referencia se sitúa en la pieza patrón y la otra bobina en la

pieza a analizar, dejando al descubierto las diferencias entre ambas. Estos ensayos han

adquirido cada vez más importancia, debido a que se pueden automatizar.

2.5. Ensayos por radiografía

En estos ensayos, se bombardea la pieza a examinar con rayos X o γ, que penetran a través de

la pieza, dando lugar a una imagen exacta de la estructura interna de la pieza. Esta imagen se

recoge en una película fotográfica. Aunque estas técnicas proporcionan una información muy

completa de la pieza no se suelen utilizar mucho ya que son caras y pueden ser peligrosas.

Figura 5. Ensayos por radiografía

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2.6. Ensayos ultrasónicos

Esta técnica es muy adecuada para detectar defectos internos. Se utiliza cada vez más en lugar

de la radiografía ya que no requiere de medidas de seguridad especiales y posee la suficiente

resolución como para detectar la posición y geometría de defectos internos.

Se basa en el debilitamiento sufrido por una onda ultrasónica al pasar a través de un objeto.

Este debilitamiento de la onda se compara con un patrón, proporcionando así información

sobre el defecto.

Figura 6. Ensayo ultrasónico a) por transparencia, b) por la posición del eco, c) por disminución

de la intensidad del eco.