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Fundición de aluminio: La tecnología ultrasónica reduce el uso del refinador de grano TiB
¿Qué es el refinado de cereales?
La estructura granular del aluminio se refina durante la solidificación para obtener granos más pequeños y uniformes. La estructura granular inicial del aluminio fundido es gruesa, con granos grandes y dendríticos. Está causada por una nucleación lenta y un crecimiento rápido durante el enfriamiento del aluminio fundido. La disminución de la resistencia, la ductilidad y el agrietamiento son el resultado de dicha estructura de grano. Los granos grandes en presencia de microsegregación provocan anisotropía mecánica y concentración de tensiones. Esto hace que el material sea propenso al fallo por carga.
Las estructuras de grano fino aumentan las propiedades mecánicas de las aleaciones de aluminio. A través de la relación Hall-Petch, los granos finos (unos pocos micrómetros) aumentan el límite elástico y la resistencia a la tracción al tiempo que evitan el movimiento de dislocaciones. Los granos finos mejoran la ductilidad al aumentar el área del límite de grano, que absorbe y redistribuye la tensión y reduce la iniciación y propagación de grietas. También hace que las propiedades sean más isotrópicas para una mayor consistencia del rendimiento. Las microestructuras de grano fino son necesarias para los componentes aeronáuticos y de automoción. Ahí es donde el peso y la resistencia son clave. Los granos finos hacen que el material sea más uniforme y predecible para una mayor maquinabilidad y acabado superficial.
Papel del boro titanio TiB como refinador de grano en el aluminio fundido
El boro titanio (TiB) influye en la nucleación de la solidificación para refinar los granos de aluminio fundido. Ofrece lugares de nucleación para una estructura de grano fino y equiaxial. Las partículas de TiAl₃ y los compuestos de boruro como el TiB₂, que se asemejan al aluminio en la cristalografía, actúan como fuertes nucleantes. Disminuyen la barrera de energía de nucleación, facilitan la formación de granos e impiden el crecimiento de estructuras dendríticas. Así, muchos granos pequeños e igualmente dispersos dominan la solidificación en lugar de unos pocos grandes.
El TiB reacciona químicamente con el aluminio fundido durante la solidificación. Las partículas de TiAl₃ se originan a partir de la reacción de fusión entre el titanio y el aluminio. Aunque inestables a altas temperaturas, estas partículas se combinan con el boro para generar TiB₂ y convertirlas en nucleantes. El TiB₂, con su estructura hexagonal estable y su estrecha coincidencia reticular con el aluminio, favorece la nucleación heterogénea. La creación de partículas de boruro en el frente de solidificación promete granos pequeños y numerosos. Rápidamente, las partículas de TiB₂ actúan como núcleos para que los átomos de aluminio se solidifiquen alrededor. Se obtiene así una microestructura refinada.
Los retos del uso de TiB
Preocupaciones económicas y medioambientales
El elevado coste del TiB, incluido el TiB₂, afecta a los costes de producción del refinado del aluminio. El titanio, un metal costoso, hace que las aleaciones de TiB sean caras. El elevado coste de las materias primas y los métodos de alto consumo energético hacen que la producción de TiB₂ para el refinado de aluminio sea un negocio caro. Es difícil para sectores con márgenes limitados o lugares con escasa disponibilidad de materias primas. Por ejemplo, las condiciones del mercado del titanio pueden afectar a los precios del TiB, lo que hace que los costes de fabricación sean erráticos. Esta volatilidad puede dificultar la fijación de precios coherentes para los productos de aluminio en comparación con las aleaciones maestras de AlTiB, más baratas.
Las consideraciones medioambientales también son importantes a la hora de utilizar TiB para refinar el grano. Los productos a base de TiB pueden emitir sustancias químicas de titanio y boro al medio ambiente, al tiempo que dificultan su fabricación y eliminación. La gestión de los productos químicos peligrosos y de la basura durante la fabricación de TiB₂ debe evitar la contaminación ambiental. Los productos de TiB usados pueden filtrar componentes nocivos al suelo y al agua, lo que hace problemática su eliminación. Los métodos especiales de eliminación, como el vertido controlado o el reciclado, aumentan el impacto ambiental y los gastos de explotación. Además, los gobiernos y las organizaciones medioambientales exigen cada vez más una metalurgia más sostenible. De ahí que el boro titanio (TiB) pueda resultar menos atractivo que el refinado de granos con menores riesgos ecológicos.
Limitaciones técnicas del refinador de grano TiB en aluminio fundido
La posibilidad de un refinamiento excesivo o de un tamaño de grano desigual puede limitar técnicamente el refinamiento del grano de TiB del aluminio. La eficacia del refinamiento del grano de TiB depende de su concentración y distribución exactas en la masa fundida de aluminio. Las concentraciones elevadas de TiB pueden sobre-refinar los granos, volviéndolos demasiado finos. Esto puede hacer que el aluminio sea demasiado quebradizo para varios usos. Por el contrario, una distribución desigual del TiB puede provocar variaciones en el tamaño de los granos de aluminio. La variabilidad de la resistencia y la ductilidad del material podría provocar fallos en aplicaciones clave como los componentes aeroespaciales y de automoción. Supervisar y ajustar el proceso de refinamiento del grano para conseguir el equilibrio ideal es complicado y requiere operarios competentes.
Un tratamiento incorrecto del TiB también puede provocar inclusiones o defectos en el producto final de aluminio. Las partículas de TiB no disueltas en la masa fundida pueden comportarse como concentradores de tensiones y provocar una rotura prematura bajo carga. Es problemático en aplicaciones de alto rendimiento que necesitan integridad del material. Por ejemplo, las piezas aeroespaciales pueden perder vida a la fatiga debido incluso a pequeñas inclusiones. Las inclusiones de TiB pueden impedir el laminado o la extrusión e inducir grietas o defectos superficiales. La masa fundida debe estar bien mezclada y la temperatura controlada para reducir estos riesgos. Sin embargo, el TiB es un arma de doble filo en el refinado del grano de aluminio, ya que estas restricciones aumentan la complejidad y el coste del trabajo.
Con el tiempo, las partículas de TiB₂ pueden caer al fondo del horno de retención. Esto disminuye su eficacia de refinado del grano, lo que se llama "efecto de desvanecimiento". Las largas duraciones de mantenimiento en operaciones industriales agravan este problema. Otros elementos de aleación también pueden afectar a la eficacia del refinador de grano de TiB. Por ejemplo, el cromo, el circonio y el litio pueden causar el "efecto de envenenamiento." El TiB₂ puede reaccionar con otros elementos de la masa fundida de aluminio. Puede introducir fases o compuestos indeseables en la aleación acabada. Es más, los estudios sugieren que añadir elementos de tierras raras como Ce y La a los refinadores de grano TiB podría mejorar la nucleación y dar lugar a estructuras de grano más fino que los refinadores estándar solos. Pero, una vez más, estas modificaciones causan complicaciones y gastos adicionales.