Una inclusión es una partícula sólida en una aleación de aluminio líquido . Normalmente no es metálica y puede ser de distinta naturaleza según su origen.
Las inclusiones pueden crear problemas en la fundición cuando son grandes y están en una concentración demasiado alta. A continuación, se muestran algunos ejemplos de problemas relacionados con las inclusiones:
En contacto con el aire ambiente , el aluminio líquido reacciona con el oxígeno y forma una capa de óxido (gamma-Al2O3 ) . Esta capa se vuelve más gruesa con el tiempo. Cuando se altera el aluminio fundido, esta película de óxido se mezcla con el interior de la masa fundida.
En la producción de aluminio primario, los carburos de aluminio (Al 4 C 3 ) se originan a partir de la reducción de la alúmina , donde los ánodos y cátodos de carbono están en contacto con la mezcla. Más adelante en el proceso, cualquier herramienta de carbono que entre en contacto con el aluminio líquido puede reaccionar y crear carburos.
En las aleaciones de aluminio que contienen magnesio , se pueden formar óxidos de magnesio (MgO), cuboides (MgAl2O4 -cuboide) y espinela metalúrgica (MgAl2O4- espinela ) . Son el resultado de la reacción entre el magnesio y el oxígeno en la masa fundida. Se formarán más con el tiempo y la temperatura.
La espinela puede ser muy perjudicial debido a su gran tamaño y alta dureza.
Las partículas de material refractario en contacto con el aluminio pueden desprenderse y convertirse en inclusiones. Podemos encontrar inclusiones de grafito (C), inclusiones de alúmina (alfa-Al2O3 ) , CaO, SiO2 , …
Después de algún tiempo, el grafito refractario en contacto con el aluminio reaccionará para crear carburos de aluminio (inclusiones más duras y más perjudiciales).
En una aleación de aluminio que contiene magnesio , el magnesio reacciona con algunos refractarios para crear inclusiones bastante grandes y duras similares a las espinelas.
Las partículas refractarias que no reaccionaron pueden tener su origen en la degradación de materiales refractarios que entran en contacto con la masa fundida.
Las inclusiones de cloruro (MgCl2 , NaCl, CaCl2 , …) son un tipo especial de inclusión, ya que son líquidas en el metal líquido. Cuando el aluminio se solidifica, forman huecos esféricos similares a la porosidad del gas hidrógeno, pero el hueco contiene un cristal de cloruro que se forma cuando el aluminio se enfría.
Las sales fundentes , al igual que los cloruros, también son inclusiones líquidas. Provienen de tratamientos fundentes que se añaden a la masa fundida para limpiarla.
Se añade intencionalmente boruro de titanio (TiB 2 ) a la masa fundida para refinar el grano y mejorar las propiedades mecánicas.
Se añade fósforo a las aleaciones hipereutécticas fundidas para modificar la fase de silicio y mejorar así las propiedades mecánicas, lo que crea inclusiones de AIP.
Las inclusiones del tratamiento de boro ( (Ti, V)B 2 ) se forman cuando se agrega boro a la masa fundida para aumentar la conductividad mediante la precipitación de vanadio y titanio .
En las aleaciones de aluminio también se pueden encontrar los siguientes tipos de inclusiones: agujas de alúmina (Al2O3 ) , nitruros ( AlN), óxidos de hierro (FeO), óxidos de manganeso (MnO), fluoruros ( Na3AlF6 , NaF, CaF2 , …), boruros de aluminio (AlB2 , AlB12 ) , borocarburos ( Al4C4B ) .
Las cenizas de huesos (Ca 3 (PO 4 ) 2 ), que a veces se añaden para reparar grietas en el canal, se pueden encontrar como inclusiones en la masa fundida.
Existen varios métodos para medir el contenido de inclusiones en aluminio líquido. [1] Los métodos más comunes son PoDFA, Prefil, K-Mold y LiMCA. Medir las inclusiones es de gran ayuda para comprender el impacto de la preparación del horno, la práctica de aleación, la mezcla de materias primas, el tiempo de sedimentación y parámetros similares en la limpieza de la masa fundida.
El método PoDFA proporciona información sobre la composición y concentración de inclusiones en aluminio fundido. PoDFA se utiliza ampliamente para la caracterización y optimización de procesos, así como para la mejora de productos. Permite evaluar de forma rápida y precisa los efectos de diversas prácticas operativas en la limpieza del metal o identificar la eficiencia de la filtración .
El método PoDFA fue desarrollado por Rio Tinto Alcan en los años 70. El método de análisis metalográfico se ha optimizado a lo largo de los años en una amplia variedad de aleaciones.
El principio de medición es el siguiente: se filtra una cantidad predeterminada de aluminio líquido en condiciones controladas utilizando un filtro de porosidad muy fina. Las inclusiones en la masa fundida se concentran en la superficie del filtro en un factor de aproximadamente 10.000. A continuación, el filtro, junto con el metal residual, se corta, se monta y se pule antes de que un metalógrafo capacitado en PoDFA lo analice con un microscopio óptico .
El método Prefil [2] es similar al PoDFA pero, además del análisis metalográfico, Prefil también proporciona una retroalimentación inmediata sobre la limpieza del metal a partir del caudal de metal a través del filtro. Debido a que todo lo relacionado con la filtración está bien controlado ( presión , temperatura del metal , etc.), el único parámetro que afecta la velocidad de filtración es el contenido de inclusiones. Se puede determinar el nivel de limpieza a partir de la curva de filtración (peso del metal filtrado en función del tiempo).
El método de ensayo de fractura K-Mold es un método de ensayo de fractura . El metal líquido se vierte en un molde que contiene muescas. Una vez solidificado, la barra resultante se dobla para exponer una superficie de fractura. La observación visual de inclusiones en la fractura se utiliza para determinar un valor K para la masa fundida y compararlo con un estándar preestablecido. Este método es bastante impreciso y, por lo tanto, solo es adecuado cuando el metal contiene grandes inclusiones y grupos de inclusiones. [3]
El método LiMCA [4] mide la concentración total y la distribución de tamaños de las inclusiones presentes en las aleaciones de aluminio. Su principio de medición se basa en un método objetivo e independiente del usuario. El sistema LiMCA CM puede caracterizar la limpieza de una masa fundida en intervalos de tiempo del orden de un minuto. Por lo tanto, puede monitorear, en tiempo real, la evolución de la limpieza a lo largo de una masa fundida en función de los parámetros del proceso y las prácticas de manipulación de la masa fundida.
El corazón del sistema de medición LiMCA consiste en un tubo de vidrio cerrado (material aislante eléctrico) que lleva un pequeño orificio en su parte inferior. El tubo está colocado en metal líquido . Al crear un vacío dentro del tubo, el metal con las inclusiones suspendidas que se van a detectar se fuerza a través del pequeño orificio. Son necesarios dos electrodos: uno dentro del tubo y el otro fuera. Ambos electrodos están sumergidos en el metal líquido. Se aplica una corriente eléctrica constante entre los electrodos. La corriente fluye a través del metal líquido por el pequeño orificio en el tubo. Cuando una inclusión entra en el orificio, desplaza su volumen de fluido conductor, aumentando temporalmente la resistencia eléctrica. El aumento de la resistencia genera un pulso de voltaje. La magnitud del pulso de voltaje es una función del volumen de la partícula. La duración del pulso está relacionada con el tiempo de tránsito de la inclusión. Los pulsos de voltaje se amplifican y su amplitud se mide digitalmente. La distribución del tamaño y la concentración total se muestran en tiempo real en una pantalla de computadora.
Para obtener un producto de buena calidad, es necesario eliminar las inclusiones. La filtración de metal líquido a través de un medio cerámico es una forma eficaz de limpiar el metal. En las fundiciones se utilizan distintos tipos de medios cerámicos en línea, como filtros de espuma cerámica , filtros de tubo poroso, filtros cerámicos adheridos y filtros de lecho profundo.