La estructura granular del aluminio se refina durante la solidificación, dando lugar a granos más pequeños y uniformes. La estructura granular inicial del aluminio es gruesa, con granos dendríticos de gran tamaño. Esto se debe a la lenta nucleación y al rápido crecimiento durante el enfriamiento del aluminio fundido. Dicha estructura granular reduce la resistencia, la ductilidad y favorece el agrietamiento. Los granos grandes, junto con la microsegregación, provocan anisotropía mecánica y concentración de tensiones, lo que hace que el material sea propenso a fallar bajo carga.

Las estructuras de grano fino mejoran las propiedades mecánicas de las aleaciones de aluminio. Mediante la relación de Hall-Petch, los granos finos (de unos pocos micrómetros) aumentan el límite elástico y la resistencia a la tracción, a la vez que previenen el movimiento de dislocaciones. Los granos finos mejoran la ductilidad al incrementar el área de los límites de grano, lo que absorbe y redistribuye la tensión y reduce la iniciación y propagación de grietas. También hacen que las propiedades sean más isotrópicas, lo que garantiza una mayor consistencia en el rendimiento. Las microestructuras de grano fino son esenciales para los componentes aeronáuticos y automotrices, donde el peso y la resistencia son fundamentales. Los granos finos hacen que el material sea más uniforme y predecible, lo que se traduce en una mayor maquinabilidad y un mejor acabado superficial.

Función del boro de titanio (TiB) como refinador de grano en aluminio fundido

El titanio-boro (TiB) influye en la nucleación de la solidificación para refinar los granos de aluminio fundido. Ofrece sitios 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 su cristalografía, actúan como potentes nucleantes. Disminuyen la barrera de energía de nucleación, facilitan la formación de granos e impiden el crecimiento de estructuras dendríticas. De este modo, la solidificación se caracteriza por la presencia de numerosos granos pequeños y uniformemente dispersos, en lugar de unos pocos granos grandes.

El TiB reacciona químicamente con el aluminio fundido durante la solidificación. Las partículas de TiAl₃ se originan a partir de la reacción en estado fundido entre el titanio y el aluminio. Aunque inestables a altas temperaturas, estas partículas se combinan con el boro para generar TiB₂ y actúan como núcleos de nucleación. 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 garantiza la formación de granos pequeños y numerosos. Rápidamente, las partículas de TiB₂ actúan como núcleos alrededor de los cuales se solidifican los átomos de aluminio, lo que da lugar a una microestructura refinada.

Los desafíos del uso de TiB

Preocupaciones económicas y ambientales

El elevado coste del TiB, incluido el TiB₂, afecta a los costes de producción del refinado de aluminio. El titanio, un metal costoso, encarece las aleaciones de TiB. El alto coste de las materias primas y los métodos que consumen mucha energía hacen que la producción de TiB₂ para el refinado de aluminio sea un negocio costoso. Resulta difícil para sectores con márgenes de beneficio reducidos o para lugares con disponibilidad limitada de materias primas. Por ejemplo, las condiciones del mercado del titanio pueden afectar a los precios del TiB, lo que provoca una volatilidad en los costes de fabricación. Esta volatilidad puede dificultar la fijación de precios consistentes para los productos de aluminio en comparación con las aleaciones maestras AlTiB, que son más económicas.