Ejercicio resuelto: curva de enfriamiento

Visto: 20189

Ejercicio resuelto 1

Utilizando la información suministrada por el diagrama de fases Ni-Nb, determinar la cantidad en gramos de níquel y de niobio necesarias para fabricar por fundición el tubo de escape de una motocicleta, el cual pesa 2.25 kg. Para el cálculo tenga en cuenta que el tubo de escape se fabrica en una aleación que a su temperatura máxima de operación (justo bajo 1290°C) debe contener 72%Ni6Nb7.

Figura 1. Diagrama de fases del sistema de aleaciones Ni-Nb. Tomada de ASM Handbook: alloy phase diagrams. Volume 03, 1992.

 

Desarrollo

\[ 72\%Ni_6Nb_7 = \frac{94-X}{94-54} \times 100 \]

\[ X = 65.2\%~Nb \]

La aleación es Ni-65.2%Nb.

Los pesos de Nb y Ni se calculan así,

\[ Peso~Nb = 0.652 \times 2.25~kg = 1.467~kg~Nb \]

\[ Peso~Ni = (1-0.652) \times 2.25~kg = 0.783~kg~Ni \]

Ejercicio resuelto 2

Trace la curva de enfriamiento de la aleación hallada en el ejercicio anterior con los siguientes datos: la aleación se sobrecalienta 150°C antes de vaciarla al molde y tarda 80 segundos en iniciar su solidificación, la cual ocurre a 94°C/min. La aleación se puede manipular con las manos sin riesgo de sufrir quemaduras 100 segundos después de que termina de solidificarse. Asumir que el tiempo local de solidificación es de 6.5 minutos. Nota: para calcular el tiempo local utilice el rango de solidificación de la aleación, el cual se puede leer en la Figura 1.

Desarrollo

Primero se calcula la temperatura de vertimiento, la cual es igual a la suma de la temperatura de líquidus más la temperatura de sobrecalentamiento. Ver el diagrama de fases.

\[ \text{T. vertimiento} = 1600°C + 150°C = 1750°C \]

Como tarda 80 segundos en iniciar la solidificación, entonces se cuenta ese tiempo sobre el eje X de tiempo, definiéndose así otro punto de coordenadas (80s,1600°C). Luego, teniendo la temperatura a la cual inicia la solidificación (1600°C) y la temperatura de 1290°C por debajo de la cual es todo sólido tenemos que el tiempo que transcurre el enfriamiento con pendiente de 94°C/min es:

\[ \text{Vel. enfriamiento} = \frac{\Delta T}{\Delta t} \]

De donde,

\[ \Delta t = \frac{1600°C-1290°C}{94°C/min} = 3.3~min \]

Podemos entonces construir la curva de enfriamiento teniendo en cuenta la siguiente figura:

La curva de enfriamiento resultante es:

 

Ejercicio resuelto 3

Trace sobre el diagrama de fases líneas punteadas que describen las tres siguientes aleaciones: (30%Nb+70%Ni), (38%Nb+62%Ni) y (42.2%Nb+57.8%Ni). Diga cuál de ellas seleccionará para realizar las soldaduras que unen las secciones que forman el tubo de escape de la motocicleta. Mediante un párrafo, de máximo cuatro renglones, justifique su respuesta en términos de los tipos y cantidades de microconstituyentes que formará la microestructura de la aleación seleccionada.

Desarrollo

La aleación más apropiada corresponde a aquella que forme la mayor cantidad de microconstituyente eutéctico a la menor temperatura posible. Veamos:

Para 30% Nb:

\[ \%L = \frac{30-26.5}{40.5-26.5} \times 100 = 25\%L~a~1400°C \]

Para 38% Nb:

\[ \%L = \frac{38-26.5}{40.5-26.5} \times 100 = 82.14\%L~a~1280°C \]

Para 42.2% Nb:

\[ \%L = \frac{50-42.2}{50-40.5} \times 100 = 82.11\%L~a~1230°C \]

Ejercicio resuelto 4

Identifique los compuestos intermetálicos que se forman en el sistema de aleaciones Ni-Nb, describiéndolos como "estequiométricos" o "no estequiométricos" y escriba en forma de ecuación el tipo de reacción o punto de fusión congruente por el cual se forman. En otras palabras, qué producto se transforma en otro conforme se va enfriando.

Desarrollo

El compuesto intermetálico Ni3Nb es no estequiométrico. Su reacción es:

\[ L \leftrightarrow Ni_3Nb~~~a~~~1420°C~\text{(Punto de fusión congruente)}\]

El compuesto intermetálico Ni6Nb es estequiométrico. Su reacción es:

\[ (Ni) + Ni_3Nb \leftrightarrow Ni_6Nb~~~a~~~1290°C~\text{(Peritectoide)} \]

El compuesto intermetálico Ni6Nb7 es no estequiométrico. Su reacción es:

\[ L+(Nb) \leftrightarrow Ni_6Nb_7~~~a~~~535°C~\text{(Peritéctica)} \]

Comentarios potenciados por CComment