macrosegregación

La macrosegregación es la separación visible a gran escala de los elementos de aleación dentro de una pieza fundida solidificada. A diferencia de la microsegregación, que ocurre a escala de grano y dendrítica, la macrosegregación opera en secciones o lingotes enteros, produciendo regiones de composición química significativamente diferente. Ocurre cuando la solidificación es desigual, permitiendo que el metal líquido fluya y redistribuya los elementos antes de que la pieza fundida se congele por completo.

El mecanismo depende de las diferencias de densidad entre las fases sólida y líquida. A medida que se forman las dendritas durante el enfriamiento, excluyen los átomos de soluto. Este líquido enriquecido se vuelve más ligero o más pesado que el metal circundante, dependiendo del sistema de aleación. En los lingotes de acero, la fase líquida rica en hierro fluye hacia las regiones más frías, arrastrando consigo elementos disueltos como el carbono y el azufre. Las piezas fundidas grandes se enfrían lentamente de afuera hacia adentro, creando gradientes térmicos que impulsan esta redistribución convectiva durante horas o días.

Patrones y defectos comunes

Surgen tres patrones principales: segregación normal, donde el soluto se concentra en la región central que se congela al final; segregación inversa, donde los elementos pesados flotan hacia adentro temprano; y segregación en canal, donde el líquido enriquecido sigue los límites de grano columnares hasta el núcleo del lingote. La macrosegregación severa produce zonas duras y quebradizas con alto contenido de carbono o cromo junto con regiones blandas y débiles de composición agotada. Estas grietas de composición internas, a veces llamadas grietas en espiga en el centro del lingote, pueden propagarse durante el trabajo en caliente posterior.

El problema se intensifica con el tamaño de la pieza fundida. Un pequeño lingote de laboratorio que pesa kilogramos muestra una macrosegregación mínima; un lingote industrial de varias toneladas muestra bandas severas. Las secciones gruesas se enfrían lo suficientemente lento como para que el flujo de líquido impulsado por la gravedad segregue los elementos a lo largo de centímetros de distancia. Las aleaciones con grandes rangos de solidificación, como las superaleaciones a base de níquel o los aceros con alto contenido de carbono, sufren más severamente porque el líquido permanece pastoso y móvil en un intervalo de temperatura más amplio.

Las fundiciones y los fabricantes de lingotes combaten la macrosegregación mediante enfriamiento controlado, agitación electromagnética durante la fundición y prácticas de fundición con mazarota que mantienen la superficie del lingote caliente y lenta. La fusión por inducción al vacío seguida de una solidificación controlada la reduce, pero rara vez la elimina por completo. El tratamiento térmico de homogeneización posterior puede reducir los gradientes de composición si el tiempo y la temperatura son adecuados, aunque esto es lento y consume mucha energía para lingotes grandes. Comprender dónde se concentra la macrosegregación es fundamental para posicionar los lingotes en el laminador: el material del núcleo segregado generalmente se recorta antes del trabajo en caliente según las especificaciones.