Tesis Eduardo Aguirre de la Torre

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CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES AVANZADOS, S.C. 
 
Desempeño mecánico en la aleación A356 
mediante variación en las concentraciones del 
refinador de grano Al-5Ti-B y adición de tierras 
raras 
 
Tesis que como requisito para obtener el grado de 
Doctor en Ciencia de Materiales, presenta: 
 
Eduardo Aguirre de la Torre 
 
Director de tesis: 
Dr. Roberto Martínez Sánchez 
 
Chihuahua, Chih., México, 15 de Octubre de 2013. 
Agradecimientos 
 
Agradezco al Centro de investigación en Materiales Avanzados, S.C. (CIMAV) por 
el apoyo otorgado a lo largo de estos cuatro años. Agradezco al Consejo Nacional 
de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por el apoyo económico brindado para la 
realización de mis estudios de Doctorado en Ciencia de Materiales 
Gracias a la empresa Maxion Wheels por las facilidades otorgadas para el 
desarrollo experimental de la tesis. Ing. Miguel León por la bonanza otorgada en 
este proyecto, Umberto Afeltra por el apoyo brindado. 
A la Dra. Myriam V. Moreno, por sus consejos y apoyo. Agradezco a mis 
compañeros Jesús Pizaña, Rodolfo Flores, Sergio Fernández por su ayuda y 
participación. 
Agradezco a investigadores y técnicos del CIMAV, por haberme brindado su 
apoyo en cuestiones técnicas y académicas, sin el cual no habría sido posible la 
culminación de mis estudios de Doctorado en Ciencia de Materiales. De manera 
especial, estoy agradecido con mi asesor, el Dr. Roberto Martínez Sánchez por su 
guía que llevaron a la culminación de mis estudios. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Con admiración y respeto a mis padres María de los Ángeles y José. 
Con todo mi amor a mi esposa Myriam, y mis hijas Alexandria y Grecia. 
 
 
 
 
i 
 
Índice general 
I Introducción 3 
1.1 Procesos de producción por colada en aleaciones de aluminio A356 5 
1.1.1 Moldeo por gravedad …………………………………………………… 5 
1.1.2 Moldeo por baja presión ……………………………………………… 6 
1.2 Refinamiento de grano …………………………………………………. 7 
1.2.1 Mecanismos de refinamiento de grano en aleaciones de aluminio… 9 
1.3 Tratamiento térmico en aleaciones de aluminio ……………………… 12 
1.4 El efecto de cada uno de los elementos aleantes …………………… 16 
1.5 Justificación ……………………………………………………………... 20 
1.6 Hipótesis …………………………………………………………………. 20 
1.7 Objetivo ………………………………………………………………… 20 
1.8 Objetivos individuales ………………………………………………… 20 
 
II 
 
Procedimiento experimental 
 
21 
2.1 Efecto de la concentración del refinador Al-5Ti-B en la aleación 
A356 ……………………………………………………………………… 
21 
2.1.1 Análisis de muestras obtenidas mediante moldeo por gravedad …... 22 
2.1.2 Análisis de muestras obtenidas mediante moldeo por baja presión .. 26 
2.2 Dispersión de la fase Ce/La mediante molienda mecánica en la 
aleación A356 …………………………………………………………… 
 
29 
2.3 Caracterización mecánica de la aleación A356 ……………………… 31 
2.4 Caracterización microestructural de la aleación A356 ………………. 32 
 
III 
 
Discusión de resultados 
 
34 
3.1 Efecto de la concentración del refinador Al-5Ti-B en la aleación 
A356 ……………………………………………………………………….. 
34 
3.1.1 Análisis de muestras obtenidas mediante moldeo por gravedad …... 34 
3.1.2 Análisis de muestras obtenidas mediante moldeo por baja presión .. 38 
3.2 Dispersión de la fase Ce/La en la aleación A356 mediante molienda 
mecánica ………………………………………………………………… 
 
50 
 
 
ii 
 
IV Conclusiones 64 
 
V 
 
Bibliografía 
 
66 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
iii 
 
Índice de Figuras 
1.1 Moldeo por gravedad …………………………………………………… 5 
1.2 Moldeo por baja presión ………………………………………………… 6 
1.3 Típica curva de refinamiento de grano ………………………………… 8 
1.4 Efecto del envenenamiento por solutos Zr en el refinamiento de 
grano con Al-5Ti-B, en la aleación AlZn.…………………………… 
 
11 
1.5 Diagrama de fase Al-Mg. Temperaturas de solubilización y 
envejecimiento artificial …………………………………………………. 
 
15 
1.6 Representación de la evolución experimentada por los cristales de 
silicio eutéctico (Al-13Si), durante el tratamiento de esferoidización: 
(a) Estructura original, cristales de silicio ramificado, (b) Primera 
fase del proceso de subdivisión de cristales, (c) Engrosamiento y 
disminución del número de partículas, (d) Estructura final idealizada, 
partículas esféricas………………………………………… 
 
 
 
 
16 
1.7 Representación esquemática de contenedores usados en molinos 
de alta energía. (a) Molino Simoloyer y (b) molino Spex ……………. 
 
19 
2.1 Representación esquemática del proceso experimental seguido en 
el estudio del efecto de la concentración del Al-5Ti-B en la aleación 
A356 ……………………………………………………………………… 
 
21 
2.2 Refinador de grano en forma de barras, moldes y piezas resultantes 
en el proceso de fundición de A356 adicionada con diferentes 
concentraciones de Al-5Ti-B. (b) Molde permanente. (c) Producto 
obtenido y secciones utilizadas en el análisis microestructural y 
mecánico …………………………………………………………………. 
 
 
 
24 
2.3 Olla de transferencia ……………………………………………………. 26 
2.4 Representación esquemática de las zonas seleccionadas en los 
rines producidos de la aleación A356, para su caracterización 
mecánica y microestructural …………………………………………… 
 
 
28 
2.5 a,b) Molino Spex, (c)Recipiente y medio de molienda usados en un 
molino Spex 8000M de alta energía …………………………………… 
 
30 
 
iv 
 
2.6 Representación esquemática del proceso experimental seguido en 
el estudio del efecto de la adición de tierras raras a la aleación A356 
 
31 
2.7 Medición del SDAS mediante el método de intercepción lineal …….. 33 
3.1 Resultados de microscopia óptica presentadas en función de la 
concentración de ATB. (a-c) Muestras en condición de colada. (d-f) 
Muestras en condición T6 ………………………………………………. 
 
 
36 
3.2 Resultados del ensayo de tensión en la aleación A356 modificada 
mediante la adición de ATB. (a) Muestras en condición de colada. 
(b) Muestras en condición T6 ………………………………………… 
 
 
37 
3.3 Resultados del análisis químico de las concentraciones de Ti para 
cada grupo en función del contenido de ATB. *G-0 indica la aleación 
de referencia …………………………………………………………… 
 
 
39 
3.4 Microestructuras del grupo G18 (a,b) Condición de colada (c-d) 
Condición T6. (b) Vista amplificada de a. (d) Vista amplificada de c. 
 
40 
3.5 Micrografías de barrido de la muestra identificada como G18-M60 
(izquierda) y análisis EDS elemental por mapeos (derecha), los 
cuales evidencian la presencia de Al, Fe y Si. Mapeos en un área 
de 88 X 75 mm es indicada mediante un rectángulo blanco en la 
microestructura ………………………………………………………… 
 
 
 
42 
3.6 Variación en el SDAS en función de la cantidad de refinador para 
muestras en la condición T6. El recuadro muestra los resultados de 
tamaño de grano en las muestras bajo la condición T6………………. 
 
 
42 
3.7 Resultados de la prueba de impacto en la aleación A356 en función 
de la concentración de refinador Al5TiB.……………………..……… 
 
44 
3.8 Resultados de dureza en la condición de colada (HB) y T6. Los 
resultados son presentados en función de la concentración de ATB 
en la aleación A356 …………………………………………………… 
 
45 
3.9 Curvas representativas esfuerzo-deformación, en función de la 
concentración de ATB ………………………………………………… 
 
47 
3.10 Comportamiento mecánico de la aleación A356 en función de la 
concentración de ATB. (a) Análisis por grupo y (b) análisis por 
 
 
 
v 
 
rueda. …………………………………………………………………...... 48 
3.11 Micrografías de MEB obtenidas por electrones retrodispersados de 
la sección transversal de la aleación maestra ACL. (a) Condición de 
recibido. (b) Análisis elemental de las fases brillantes en forma de 
aguja observadas en la aleación en condición de recibido. Aleación 
ACL con (c) 5 y (d) 10 h de molienda. Imágenes por electrones 
secundarios muestra la morfología de los polvos molidos incluidos 
en (c) y (d) respectivamente ……………………………………………. 
 
 
 
 
 
 
53 
3.12 Patrones de DRXde la aleación maestra ACL en la condición de 
recibido (0h) y después de la molienda mecánica (5 y 10 h)………… 
 
54 
3.13 Imágenes de MEB por electrones secundarios. (a) aleación A356 
sin reforzar. (b) A356 modificada con ACL-M y (c) A356 modificada 
con ACL-AR. Todas las muestras fueron analizadas en la condición 
T6. Recuadros rojos indican la zona para análisis elemental ………. 
 
 
 
57 
3.14 Zona de extracción para muestras de MET. (a) Fotografía de la 
zona de análisis. (b-c) Imágenes ISE de la zona de 
análisis……………… 
 
58 
3.15 Micrografías en campo claro en modo STEM de la fase Ce/La, de Al 
y Si. (b,c) Números aislados indican la zona para la toma de 
patrones de difracción. Recuadros indican zonas para el análisis 
elemental ………………………………………………………………… 
 
 
 
60 
3.16 Resultados de dureza HB.………………………………………………. 61 
3.17 Resultados de propiedades mecánicas mediante (a) Esfuerzo a la 
tensión en condición de colada y (b) Esfuerzo a la tensión en 
condición T6 ……………………………………………………………. 
 
 
 
63 
 
 
 
 
vi 
 
Índice de Tablas 
1.1 Límites de solubilidad de los elementos aleantes presentes en la 
aleación A356 con respecto al aluminio ………………………………. 
13 
2.1 Análisis elemental de la aleación A356 ……………………………… 22 
2.2 Concentración (% en peso y numero de barras) de Al-5Ti-B en la 
aleación A356 …………………………………………………………… 
 
23 
2.3 Identificación de las muestras empleadas en la caracterización 
microestructural y mecánica …………………………………………… 
 
25 
2.4 Nomenclatura de grupos y muestras individuales …………………… 27 
3.1 Análisis elemental (% en peso) de las zonas seleccionadas para la 
ACL-AR y la A356 modificada………………………………………… 
 
55 
3.2 Análisis elemental de la muestra de MET( % en peso) ……………… 60 
 
 
1 
 
RESUMEN 
 
La contribución original del presente estudio consiste en la investigación de las 
propiedades mecánicas y microestructurales en la aleación A356, y el efecto de la 
cantidad de refinador de grano Al-5Ti-B en probetas producidas a nivel industrial y 
realizado en planta. Se encontró que al disminuir la cantidad de refinador a un 
0.133 % en peso en relación con la cantidad de A356 se produce un incremento 
en las propiedades mecánicas finales de la aleación en comparación con las 
cantidades de refinador comúnmente usadas previas a este estudio, y como 
consecuencia una considerable reducción en los costos de producción de ruedas 
automotrices. 
Posteriormente fue analizado el efecto de la adición de tierras raras mediante la 
adición de una aleación maestra Al-6Ce-3La. El proceso de adición de tierras 
raras a la A356 se llevó a cabo mediante dos técnicas: 1) en la condición de 
recibido (colada) y 2) en forma de polvo molida mediante molienda mecánica. En 
este respecto el proceso de adición de tierras raras mediante molienda mecánica 
ofrece una mejora considerable en las propiedades mecánicas de la aleación 
A356, evaluadas a través del ensayo de dureza en comparación con el método de 
adición de tierras raras cuando se encuentran en la condición de recibido. 
Como resultado de la anterior investigación la disminución de la cantidad de 
refinador Al-5Ti-B utilizada en la fabricación de rines a un 0.133 % en peso, es la 
que actualmente está en uso en la planta Maxion Wheels. 
 
 
 
 
 
 
2 
 
ABSTRACT 
 
My original contribution in the metallurgy field, describes the proceedings and 
activities carried out in the research of the microstructural and mechanical 
properties of the A356 aluminum alloy, where it was studies the effect of the Al-5Ti-
B grain refiner concentration in samples produced in the manufacturing of industrial 
casting. It was found that a decrease in the amount of grain refiner to 0.133 wt. % 
in relationship with the amount of A356, produces an increase in the final 
mechanical properties of the alloy by comparing with grain refiner amounts 
commonly used before the present research, and as consequence an important 
decrease in the production costs for the manufacturing of automotive wheels. 
Lately, it was analyzed the use of rare earths, mainly by the addition of master 
alloys containing Al-6Ce-3La. The addition process of rare earths in the A356 alloy 
was carried by means of two routes: 1) The addition of rare earths in the as-
received condition and 2) the addition of rare earths processed by mechanical 
milling. In this regard, the addition process of rare earth by milling process offers 
an important improvement in the mechanical properties of the alloy after being 
evaluated by hardness essay in comparison with the addition of rare earths in the 
as-received condition. 
As result of the previous research, a decrease in the amount of grain refiner is 
being applied in the manufacturing of automotive wheels by using 0.133 wt. % of 
refiner, which represent the current amount of grain refiner used by the industry 
Maxion Wheels. 
 
 
 
 
 
3 
 
 CAPÍTULO I 
 
 INTRODUCCIÓN 
 
Las aleaciones de aluminio son ampliamente usadas en la industria debido a que 
son fácilmente moldeables a través de rutas de fundición, produciendo así piezas 
complejas en comparación a las obtenidas con otros metales. Otras ventajas de 
las aleaciones de aluminio es su relativo bajo punto de fusión y excelente 
capacidad de colada especialmente en las aleaciones Al-Si en composiciones 
cercanas a la composición eutéctica. Debido a esto, las aleaciones de aluminio 
constituyen un grupo de materiales procesados por colada cuya producción ocupa 
el segundo lugar en el mundo, solo después de las aleaciones ferrosas. 
Adicionalmente, su excelente resistencia al desgaste, además de buena 
resistencia mecánica en relación con su bajo peso, hace que las aleaciones 
aluminio-silicio tengan un amplio uso en la manufactura de numerosas partes 
automotrices, como bloques, ruedas, entre otras. 
De amplio uso en el sector automotriz, las aleaciones aluminio-silicio 
pertenecientes a la serie 3xx.x (Al-Si-Cu) son extensivamente usadas en la 
conformación de partes producidas a través de técnicas de colada (Shivkumar et 
al., 1994, Kaibyshev et al., 2003, Wang et al., 2003a, Merlin et al., 2009, Dong et 
al., 2013). La adición de Si y de Cu varían ampliamente, siendo las aleaciones con 
concentraciones de Si, tanto en concentración hipoeutéctica como hipereutéctica, 
las más apropiadas en la conformación de piezas a través de procesos de colada 
(Yan and Luo, 2007, Chandrashekharaiah and Kori, 2009, Liao et al., 2010, Cho et 
al., 2011, Liu et al., 2011b, Patakham et al., 2012, Zhang et al., 2012). 
Adicionalmente, aleaciones con concentraciones menores al 5.6 % en peso de Cu, 
pueden ser tratadas térmicamente, mejorando su rendimiento mecánico. 
 
4 
 
Elementos presentes en las aleaciones de la serie 3xx.x, como Mg en menores 
concentraciones son agregados con el propósito de modificar sus propiedades 
básicas y favorecer la formación de fases para maximizar las propiedades 
mecánicas de las aleaciones. 
La aleación A356 como parte de las aleaciones Al-Si-Cu (3xx.x) es 
extensivamente usada en la industria automotriz en la fabricación de rines, debido 
a sus excelentes características físicas obtenidas por el moldeo por fundición 
(Merlin et al., 2009, Shivkumar et al., 1994, Wang et al., 2011, Yu et al., 2005). Su 
contenido de Cu es menor al 0.2 % en peso, mientras que posee una variación de 
0.25 al 0.45 % en peso de Mg, contando con otros elementos aleantes como Sr, Ti 
y Zn en concentraciones menores al 0.2 % en peso. 
Las propiedades mecánicas de las aleaciones de aluminio producidas por colada, 
pueden ser alteradas mediante diversas variantes, que incluyen los procesos de 
colada involucrados en su producción, a través de métodos de moldeo de baja 
presión (Merlin et al., 2009) o moldeo por gravedad (Yu et al., 2005, Wang et al., 
2011); uso de refinadores de grano, que permiten la formación de granos másfinos (Sigworth and Kuhn, 2007, Sofyan et al., 2010, Yu et al., 2005), obteniendo 
como resultado productos con un mejor desempeño mecánico. En este sentido, 
las propiedades mecánicas de la aleación pueden ser maximizadas mediante el 
uso de tratamientos térmicos (Shivkumar et al., 1994, Milligan et al., 2013, El-
Mahallawi et al., 2012). La variación en la composición química de los elementos 
aleantes o adición de nuevos elementos representa un papel importante en el 
desempeño óptimo de los productos finales (Prukkanon et al., 2009, Lu and Dahle, 
2006, Zhang et al., 2012, Zhu et al., 2012, Meng et al., 2013a, Meng et al., 2013b), 
sin embargo un creciente interés se ha puesto en la adición de tierras raras como 
elementos aleantes (Hu et al., 2012, Li et al., 2006a, Tsai et al., 2009, Wang et al., 
2003b, Xiao et al., 2003, Zhang et al., 2010), cuya importancia puede llevar a la 
mejora de las capacidades mecánicas de la aleación. 
 
 
5 
 
 
1.1. PROCESOS DE PRODUCCIÓN POR COLADA EN ALEACIONE S DE 
ALUMINIO A356 
 
1.1.1. Moldeo por gravedad 
 
El proceso de moldeo por gravedad utiliza moldes permanentes o de arena. El 
proceso es usado para piezas con formas simples y conseguir un proceso de 
extracción sencillo. Aunque se usa en aleaciones ligeras es también usada en 
fundiciones de hierro y aceros (Hamada and Karjalainen, 2011, Liu et al., 2011a, 
Dong et al., 2012). Las dos partes del molde, (Fig. 1.1) son protegidas con una 
capa protectora y puestas juntas usando prensas o moldes prefabricados con 
articulaciones para facilitar su manejo. El molde es precalentado previamente 
antes de verter el metal fundido y tiene una entrada y una salida para permitir 
correr al metal fundido a través de él. El molde es comúnmente protegido con 
lubricante previamente al proceso de vertido del metal, consiguiendo así una capa 
protectora que evita que el metal fundido se adhiera al molde y evitar que la parte 
superficial de la pieza solidifique durante el vertido del metal. 
 
 
6 
 
Figura 1.1 Moldeo por gravedad. 
1.1.2. Moldeo por baja presión 
 
En este proceso grandes volúmenes de metal fundido son forzados a través de un 
molde de metal por medio de presión (Fig. 1.2). Este proceso es capaz de producir 
partes de metal con una superficie suave y una buena consistencia en sus 
dimensiones (Bonollo et al., 2005, Sofyan et al., 2010). El método de moldeo por 
baja presión es un procedimiento por excelencia en la producción de rines 
automotrices. 
El proceso consta de un molde que contiene una o más cavidades localizadas 
arriba de un horno calentado eléctricamente, el cual contiene un reservorio de 
metal fundido. El proceso de colada comienza cuando se cierra el dado y se crea 
una cavidad para la colada. El metal entra en la cavidad a través de un 
alimentador cuando el aire arriba del metal líquido en el horno es presurizado. La 
colada solidifica a medida que el calor es transferido al ambiente o mediante 
enfriamiento por agua o aire que circula a través del dado mediante ciclos 
predeterminados de enfriamiento. Una vez que la solidificación se ha completado, 
el dado se abre y la pieza es removida. 
 
 
7 
 
Figura 1.2 Moldeo por baja presión. 
1.2. REFINAMIENTO DE GRANO 
 
El refinamiento de grano es un método para producir una estructura que permita 
obtener mejores propiedades mecánicas (Wang et al., 2003a, Pio et al., 2005, 
Zhang et al., 2006b, Metan et al., 2009, Chen et al., 2012, Wang et al., 2012a). 
Partículas adicionadas al metal fundido proveen una mejor oportunidad para lograr 
una nucleación homogénea. Al tener mayor número de agentes nucleantes, el 
tamaño de grano de la colada decrece (Cole and Sherman, 1995). El uso de 
refinadores de grano en aleaciones Al-Si, permite producir piezas con mejores 
propiedades mecánicas, reduce el riesgo de cuarteaduras del metal, reduce la 
contracción volumétrica de las piezas durante el enfriamiento debido a la 
reducción en la porosidad del metal, así como mejora notablemente la 
maquinabilidad del metal (Kaibyshev et al., 2003, Li et al., 2006a, Wang et al., 
2013, Zhang et al., 2006a). 
Refinadores con contenido de titanio y boro, son agregados en forma de 
aleaciones maestras formando fases que actúan como efectivos agentes de 
nucleación (Gröbner et al., 2005, Prasada Rao et al., 2006, Chen et al., 2012). El 
efecto de refinadores de grano basados en Ti, B y los compuestos que forman 
entre ellos, han sido estudiados previamente por varios grupos de investigación a 
través de varias técnicas de colada basados principalmente en moldeo por 
gravedad y moldeo a baja presión. Respecto a esto, industrialmente, los 
refinadores de grano son comúnmente usados en forma de barras, las cuales se 
agregan directamente al metal fundido. Esto constituye un método económico en 
comparación con aquellos basados en la adición de sales (Kiyota et al., 2011). La 
eficiencia del refinador Al-5Ti-B, en la reducción del tamaño de grano puede ser 
optimizada por una adecuada selección del tiempo de contacto con el metal 
fundido. Han sido reportados intervalos de tiempo de 30 a 60 minutos (Jones and 
Pearson, 1976, Limmaneevichitr and Eidhed, 2003), donde se obtiene una buena 
efectividad en la reducción de tamaño de grano, tanto para aluminio puro, así 
 
8 
 
como para aleaciones hipoeutécticas Al-Si, donde el mecanismo de atenuación 
(fading) indica su efectividad antes de 60 minutos de tiempo de contacto. 
Respecto al fenómeno de atenuación (Limmaneevichitr and Eidhed, 2003, Wang 
et al., 2012b), su efecto puede apreciarse más claramente a través de una típica 
curva de refinamiento de grano, como la mostrada en la (Fig. 1.3, 
(Limmaneevichitr and Eidhed, 2003), la cual tiene dos secciones diferentes: la 
sección de la curva entre los puntos A-O que marca el proceso de reducción de 
tamaño de grano con respecto al tiempo, y la sección O-B que presenta el proceso 
de atenuación o Fading donde el efecto muestra un comportamiento inverso con 
respecto al tiempo. Como se observa, después de la adición del refinador de 
grano, el tamaño de grano inicial decrece con el tiempo alcanzando un tamaño de 
grano final. Al tiempo que tarda en alcanzar este punto general se le denomina 
tiempo de contacto del refinador de grano. Después de esto, periodos de tiempo 
más largos, solo incrementan el tamaño de grano. En todos los casos el tiempo 
óptimo para el refinamiento de grano en aleaciones Al-Si es influenciado por la 
presencia de boruros a lo largo de las fronteras de grano. 
 
Figura 1.3 Típica curva de refinamiento de grano. (Limmaneevichitr and Eidhed, 2003) 
 
9 
 
Adicionalmente al fenómeno de atenuación se presenta comúnmente el fenómeno 
conocido como envenenamiento (poisoning, (Jones and Pearson, 1976)). Así 
puede decirse que, no en todas las aleaciones de aluminio, las propiedades 
refinadoras de grano de las aleaciones maestras actúan de manera efectiva. Su 
efectividad se ve comprometida, algunas veces dramáticamente, por la presencia 
de ciertos solutos, como lo son el zirconio y el cromo, los cuales son 
frecuentemente elementos constituyentes de las aleaciones de aluminio, cuando 
están en concentraciones de alrededor del 0.1 al 0.2 % en peso. En el caso del 
zirconio, se cree que el efecto de envenenamiento es debido a la reacción entre el 
zirconio y los nucleantes del refinador de grano como se observa en la Fig. 1.4, 
donde se presentan curvas representativas del efecto de envenenamiento debido 
a la presencia del zirconio en aleaciones aluminio. Curvas similares han sido 
observadas en aleaciones con contenidos de cromo. 
Tanto el fenómeno de envenenamiento, así como el de atenuación, son de gran 
importancia en aplicaciones industriales en la manufactura de partes de aluminio a 
través de procesos de moldeo por fundición. De esta manera se ha conservado un 
control en estos fenómenos a travésde la selección del refinador de grano con un 
contenido entre 1 y 5 % en peso de boro y titanio respectivamente, en una matriz 
de aluminio. 
 
1.2.1. Mecanismos de refinamiento de grano en aleaci ones de aluminio 
 
El mecanismo de refinamiento de grano en aleaciones de aluminio consiste en la 
dispersión de poderosos agentes nucleantes heterogéneos, en el metal fundido, 
produciendo un gran número de sitios activos durante la nucleación y solidificación 
del sólido. Al agregarse refinadores de grano en forma de aleaciones maestras 
(Chen et al., 2012, Li et al., 2006a, Liu et al., 2011b, Prasada Rao et al., 2006, 
Wang et al., 2012a, Yu et al., 2005), la matriz de aluminio disuelve y libera 
partículas intermetálicas dentro del metal fundido, las cuales subsecuentemente 
 
10 
 
actúan como agentes nucleantes. Existen varios mecanismos de refinamiento 
propuestos, sin embargo algunas teorías han sido considerablemente discutidas 
por diversos grupos de investigación. 
 
Teorías de diagramas de fases 
 
Este fue el primer intento para tratar de explicar el mecanismo de refinamiento de 
grano en aleaciones de aluminio. Esta teoría está basada en la reacción 
peritéctica en el diagrama de fase Al-Ti, de acuerdo a la siguiente ecuación: 
L+TiAl3=α-Al (solución solida) 
Los cristales de aluminuro de titanio, adicionados por medio de aleaciones 
maestras, son nucleantes activos y el fenómeno de atenuación (fading) se observa 
debido a que se disuelven con el transcurso del tiempo. Se han observado 
partículas de TiAl3 en el centro de granos α-Al. Las curvas de enfriamiento también 
soportan la secuencia de nucleación, ya que muestra la ausencia de la misma; en 
estas curvas se indica que no existe nucleación en el subenfriamiento y una 
temperatura de nucleación por encima del punto de fusión. Esta observación 
indica que la nucleación ocurre a través de la reacción peritéctica alrededor de 665 
◦C, la cual es más alta que la temperatura de fusión para el aluminio puro 
(Mohanty and Gruzleski, 1995). 
 
Teoría de las partículas 
 
La teoría llamada “carburo-boruro” sugiere que la adición nominal de Al-Ti 
mediante aleaciones maestras promueve la formación de TiC debido a la reacción 
con el carbón residual presente en el aluminio fundido. Con la adición de la 
 
11 
 
aleación maestra Al-5Ti-B, partículas de TiB son dispersas en el metal fundido y 
los compuestos TiB2 y TiC, virtualmente insolubles en el metal fundido, actúan 
como sitios de nucleación heterogénea. En esta teoría, el mecanismo de 
atenuación es solamente el resultado de sedimentación y/o aglomeración de 
partículas (Mohanty and Gruzleski, 1995). 
 
Figura 1.4 Efecto del envenenamiento por solutos de Zr en el refinamiento de 
grano con Al-5Ti-B, en la aleación AlZn. (G.P. Jones and J. Pearson, 1976). 
El efecto de los reinadores de grano sobre las aleaciones de aluminio es el de 
generar una gran cantidad de núcleos que impidan el excesivo crecimiento de los 
cristales de aluminio. En este sentido los refinadores de grano más utilizado en la 
industria son aquellos que contienen titanio y boro, siendo de especial interés, el 
refinador Al-5Ti-B debido a su efectividad. 
 
12 
 
En este sentido, las cantidades de refinador usadas en este estudio están en el 
mismo intervalo que aquellas usadas tradicionalmente en la industria, que van 
desde el 0.2 hasta el 0.5 % en peso. Sin embargo difieren de manera significativa 
de los estudios que han sido llevados a nivel laboratorio donde cantidades 
superiores al 1.0 % son empleadas (Fjellstedt et al., 1999, Limmaneevichitr and 
Eidhed, 2003, Zhu et al., 2009, Prasada Rao et al., 2006, Rao et al., 2009, Sofyan 
et al., 2010). Así mismo, escasa literatura sobre el efecto de la cantidad de 
refinador sobre las propiedades mecánicas y microestructura de la aleación A356 
se encuentra disponible. 
Debido a las anteriores consideraciones se ha evaluado en la presente 
investigación la efectividad del refinador de grano Al-5Ti-B en la aleación A356 a 
escala industrial donde han sido evaluados sus efectos en las propiedades 
mecánicas y microestructura de la aleación. 
 
1.3. TRATAMIENTO TÉRMICO EN ALEACIONES DE ALUMINIO 
 
Una gran variedad de metales pueden alearse con el aluminio, sin embargo, el 
incremento en la resistencia mecánica así como en la dureza se debe 
principalmente a adiciones de cobre, magnesio, silicio y zinc, los cuales pueden 
ser disueltos en estado sólido mediante tratamientos térmicos. La Tabla 1.1, 
muestra el límite de solubilidad de algunos elementos en aluminio (Committee, 
1991). 
Tabla 1.1: Límites de solubilidad de los elementos aleantes presentes en la 
aleación A356 con respecto al aluminio. 
 
Elemento Temperatura (◦C) Límite de solubilidad ( % en peso) 
Cobre 548 5.65 
Fierro 655 0.05 
Magnesio 450 17.4 
 
13 
 
Manganeso 658 1.82 
Níquel 640 0.04 
Silicio 577 1.65 
Plata 566 55.6 
Titanio 665 1.3 
Zinc 443 70 
 
De los elementos anteriores, la resistencia mecánica en aleaciones de aluminio se 
obtiene mediante la formación de precipitados a través de la formación de fases, 
como Al2Cu en el caso de aleaciones Al-Cu; MgZn2 para aleaciones Al-Zn-Mg, 
entre otras, así como la formación de precipitados más complejos. 
Las aleaciones de aluminio tratadas térmicamente involucran un tratamiento de 
solubilización, seguido de un enfriamiento brusco y un posterior tratamiento de 
envejecimiento, el cual puede ser logrado de manera natural, a temperatura 
ambiente, o de manera artificial a mayor temperatura mediante el uso de hornos 
(El-Mahallawi et al., 2012, Kiyota et al., 2011, Shivkumar et al., 1994). 
 
Tratamiento de solubilización. El tratamiento de solubilización involucra la 
disolución de elementos aleantes formando una solución solida súper saturada 
(SSSS). Esto se logra elevando la temperatura por arriba de la línea de solvus de 
acuerdo al diagrama binario de interés (punto rojo en Fig. 1.5). El tiempo y 
permanencia de la pieza a esa temperatura dependerá de las dimensiones de la 
misma (El-Mahallawi et al., 2012, Kiyota et al., 2011, Shivkumar et al., 1994). 
Enfriamiento rápido. El objetivo de este tratamiento es conservar una SSSS a 
temperatura ambiente conservando la aleación en un estado metaestable (punto 
azul en Fig. 1.5) La temperatura del medio de enfriamiento así como la velocidad 
de enfriamiento, dependerá de las dimensiones y diseño de la pieza. Si el 
enfriamiento ocurre muy lentamente se producirá la precipitación de fases en 
detrimento de las propiedades mecánicas de la aleación. La contracción generada 
por un enfriamiento muy rápido podría causar gradientes térmicos y como 
consecuencia la distorsión del producto final (Shivkumar et al., 1994). 
 
14 
 
Endurecimiento por precipitación o método de enveje cimiento. Consiste en la 
precipitación de los elementos en forma controlada a una temperatura 
determinada. Muchas aleaciones son susceptibles a la precipitación a temperatura 
ambiente; sin embargo, la mayoría requiere de elevar la temperatura durante un 
periodo de tiempo determinado con el fin de acelerar el proceso de precipitación. 
A esto último se le conoce como envejecimiento artificial. El punto verde en la Fig. 
1.5 indica que el tratamiento de envejecimiento debe llevarse a cabo a una 
temperatura inferior a la indicada por la línea de solvus. El tamaño de los 
precipitados, así como su velocidad de formación está determinado por la 
temperatura y el tiempo de exposición de la pieza a las condiciones especificadas 
(Valiev et al., 2013, Wang et al., 2011). 
En esta etapa en la secuencia de precipitación se describe como sigue: después 
del enfriamiento rápido, la matriz tiene una súper saturación de átomos en 
solución y la presencia de vacancias. Grupos enriquecidos en Mg y Si se forman 
rápidamente a partir de la SSSS y evolucionan en zonas llamadas de Guinier-
Preston(GP). La formación de precipitados coherentes e incoherentes se forman 
a partir de las zonas de GP cuando estas han sido disueltas. Estos precipitados 
crecen debido a la difusión de átomos a partir de la SSSS en precipitados. Los 
precipitados siguen creciendo de acuerdo al mecanismo de Ostwald cuando se ha 
alcanzado un límite en la supersaturación. La velocidad en el crecimiento de las 
fases muestra una fuerte dependencia de las condiciones de temperatura y tiempo 
empleados. 
 
15 
 
 
 
Figura 1.5 Diagrama de fase Al-Mg. Temperaturas de solubilización y 
envejecimiento artificial. 
 
Tratamiento térmico de la aleación A356. La ruta térmica para algunas 
aleaciones de aluminio que involucra la formación de una solución sólida, 
enfriamiento rápido y posterior envejecimiento es designada como T6 (El-
Mahallawi et al., 2012, Shivkumar et al., 1994). Una temperatura apropiada para 
aleaciones Al-Si-Mg debería estar entre los 540 y 545 °C, para maximizar la 
movilidad de los átomos durante la homogenización y prevenir una incipiente 
fundición de cualquier fase eutéctica. La aleación es templada en agua a 
temperatura entre 60-80 °C. Bajo estas condiciones se mantienen al mínimo los 
esfuerzos residuales en los componentes. Un posterior tratamiento de 
envejecimiento artificial a temperaturas entre 155-165 °C por un periodo de 3-6 
horas es llevado a cabo. 
 
16 
 
Adicionalmente, durante el proceso de solubilización a altas temperaturas y largos 
periodos de tiempo, la morfología de los compuestos intermetálicos y del silicio 
eutéctico cambia debido a una serie de mecanismos, siendo el más aceptado el 
de fragmentación y redondeo de la agujas de silicio. La esferoidización se produce 
al calentar las muestras a temperaturas altas, próximas a la temperatura eutéctica, 
(500-550 °C), durante tiempos prolongados. Como con secuencia del tratamiento 
de esferoidización, las partículas de silicio experimentan una evolución en la que 
cabe distinguir tres etapas o fases, como lo muestra la Fig. 1.6. 
 
Figura 1.6 Representación de la evolución experimentada por los cristales de 
silicio eutéctico (Al-13Si) durante el tratamiento de esferoidización: (a) Estructura 
original, cristales de silicio ramificado, (b) Primera fase del proceso de subdivisión 
de cristales, (c) Engrosamiento y disminución del número de partículas, (d) 
Estructura final idealizada, partículas esféricas. 
 
1.4. EL EFECTO DE CADA UNO DE LOS ELEMENTOS ALEANTE S 
 
Silicio. Mejora las características de colada, mejorando la fluidez y resistencia al 
desgarre de las paredes de la pieza durante la alimentación. En las aleaciones 
comerciales se incluyen concentraciones de silicio con contenidos hipoeutécticos 
así como hipereutécticos con un máximo de 30% en peso de silicio. Esto permite 
la producción de piezas con diseños más elaborados. Las aleaciones Al-Si 
 
17 
 
presentan excelente conformado en condiciones de colada y resistencia al 
resquebrajamiento. En el caso de las aleaciones Al-Si con contenido de Mg, 
pueden ser tratadas térmicamente, sin embargo al combinarse con Fe y otros 
elementos forma complejas fases insolubles. 
Cobre. La adición de cobre a las aleaciones Al-Si permite la formación de fases 
Al2Cu y otros compuestos intermetálicos que mejoran el desempeño mecánico de 
la aleación, así como mejoran su maquinabilidad. Asimismo, la adición de cobre 
incrementa la capacidad al tratamiento térmico de la aleación. La adición de cobre 
reduce el punto de fusión de la aleación, sin embargo incrementa el intervalo de 
temperatura durante la alimentación de los moldes en el cual se presenta el 
desgarre de las paredes de las piezas. Sin embargo, la presencia de cobre reduce 
la resistencia a la corrosión proporcionalmente a su presencia en la aleación. 
Magnesio. La adición de magnesio incrementa de manera considerable las 
características de colada de las aleaciones de aluminio, aportando de manera 
adicional, excelentes propiedades mecánicas después de ser tratada 
térmicamente. El efecto del magnesio en la aleación sobresale en pruebas de 
resistencia a la tensión y dureza después de tratamientos térmicos en aleaciones 
Al-Si. La formación de la fase endurecedora Mg2Si, se forma durante el proceso 
de precipitación para concentraciones de Mg aproximadamente de 0.7% en peso. 
La adición de Mg a las aleaciones Al-Si mejora la resistencia a la corrosión. 
Titanio. Es altamente efectivo en la refinación de grano de las aleaciones de 
aluminio producidas por colada, y el cual se combina con pequeñas cantidades de 
boro, siendo el refinador más usado en la industria el Al-5Ti-B. 
Estroncio. El estroncio modifica el aluminio-silicio eutéctico promoviendo un 
refinamiento estructural de la fase de silicio. Una modificación efectiva puede 
lograrse en concentraciones muy bajas. Sin embargo, es comúnmente usado en 
concentraciones de 0.008 a 0.04% en peso. Concentraciones más bajas son 
efectivas para tazas de solidificaciones más altas. Mayores concentraciones de 
estroncio están asociadas a la porosidad en piezas obtenidas por colada. Un 
 
18 
 
desgasificado eficiente puede afectar de manera adversa cuando son usadas 
mayores concentraciones de estroncio. Sin embargo, se ha observado un efecto 
benéfico del estroncio en las aleaciones 319.0 y 356.0 cuando está presente en 
una concentración mayor a 200 ppm. 
Zinc. La presencia de zinc en el aluminio resulta en una aleación tratable 
térmicamente mediante solubilización y envejecimiento artificial. 
Tierras raras. El uso de tierras raras como erbio, escandio, cerio y lantano, ha 
sido estudiado con efectos benéficos en las propiedades mecánicas de las 
aleaciones de aluminio. 
La dispersión de tierras raras por ruta liquida implica la formación de fases con 
forma de aguja, limitando la cantidad de tierras raras que pueden dispersarse en el 
aluminio, actuando en consecuencia, como concentradores de esfuerzos en 
detrimento de las propiedades mecánicas de la aleación. El efecto reforzante de 
dispersoides, está basado en el bloqueo del movimiento de las dislocaciones. La 
efectividad reforzante de los dispersoides depende de su tamaño, morfología, tipo, 
fracción de volumen y distribución. Su resistencia a la disolución en la matriz y 
coalescencia es un factor importante al efecto reforzante, principalmente a altas 
temperaturas. En este respecto, fases tipo agujas, típicamente encontradas en 
aleaciones de aluminio con tierras raras deben de ser fragmentadas para 
incrementar el efecto reforzante y evitar la coalescencia y su crecimiento. A través 
del uso de pequeñas concentraciones de tierras raras es posible alcanzar una 
dispersión homogénea de estas fases (Hu et al., 2012, Li et al., 2006a, Li et al., 
2006b, Wang et al., 2003b). 
Una ruta para la fragmentación de estas fases es a través de métodos mecánicos 
basados en metalurgia de polvos y el uso de sistemas de molienda mecánica 
(Benjamin, 1970, Suryanarayana et al., 2001), como se aprecia en la Fig. 1.7, 
donde partículas son expuestas a constante ciclos de fractura y soldadura 
obteniendo una fragmentación considerable en las fases presentes en la aleación 
original previa al proceso de molienda. 
 
19 
 
En base a lo anterior, la aleación A356 puede ser reforzada mediante la adición de 
fases adicionales que permitan obtener un incremento en sus propiedades 
mecánicas. El estudio del reforzamiento de algunas aleaciones de aluminio 
mediante tierras raras ha sido reportado como benéfico en cuanto su respectivo 
desempeño mecánico abriendo la posibilidad de reforzar la aleación A356 
mediante dichos materiales. En este sentido, el uso de tierras raras en el 
reforzamiento de aleaciones de aluminio, está limitado por la cantidad de material 
que puede dispersarse en el metal fundido, existiendo bibliografía donde se 
reportan concentraciones de un 0.2% en peso comomáxima cantidad de material 
adicionada en el sistema. Por este motivo ha sido estudiado el efecto de 
dispersión de una aleación maestra procesada mediante molienda mecánica, 
método por el cual se puede lograr una fina dispersión homogénea de fases 
reforzantes en una matriz metálica. 
 
 
Figura 1.7 Representación esquemática de contenedores usados en molinos de 
alta energía. (a) Molino Simoloyer y (b) molino Spex. 
 
El uso de cristales más finos en las aleaciones de aluminio permite la obtención de 
aleaciones con mejores propiedades mecánicas como son la elongación, 
resistencia a la tensión y ductilidad. 
 
20 
 
 
1.5. JUSTIFICACIÓN 
 
La aleación A356 usada en la fabricación de rines automotrices puede ser 
mejorada mecánicamente mediante la optimización del porcentaje en peso usado 
del refinador de grano Al-5Ti-B y su posterior modificación química mediante la 
dispersión de tierras raras provenientes de una aleación maestra molida 
mecánicamente. 
 
1.6. HIPÓTESIS 
 
La reducción en la cantidad de Al-5Ti-B y el posterior uso de tierras raras en la 
aleación A356 mejorará su desempeño mecánico. 
 
1.7. OBJETIVO 
 
Estudiar el efecto de la concentración de Al-5Ti-B en las propiedades mecánicas y 
microestructurales de la aleación A356 para su posterior modificación mediante la 
adición de tierras raras. 
 
1.8. OBJETIVOS INDIVIDUALES 
 
• Efecto de refinadores Al-5Ti-B en la aleación A356 a escala laboratorio 
• Efecto de refinadores Al-5Ti-B en la aleación A356 a escala industrial. 
• Efecto de las tierras raras molidas mecánicamente y dispersadas en la 
aleación A356 mediante vía líquida. 
 
21 
 
 CAPÍTULO II 
 
 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 
 
2.1. EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN DEL REFINADOR Al-5T I-B EN LA 
ALEACIÓN A356 
 
El estudio del efecto de la concentración de Al-5Ti-B en las propiedades 
mecánicas y en la microestructura de la aleación A356 fue llevada en dos etapas, 
en la primera, a nivel laboratorio, se involucró la producción de piezas mediante el 
uso de moldes permanentes, y el método de moldeo por gravedad, y la segunda 
etapa fue a escala industrial, mediante el método de colada por baja presión, en la 
producción de rines automotrices. El diagrama mostrado en la figura 2.1, muestra 
la ruta empleada en el diseño experimental en ambas etapas. 
 
 
 
Figura 2.1 Representación esquemática del proceso experimental seguido en el 
estudio del efecto de la concentración del Al-5Ti-B en la aleación A356. 
 
 
22 
 
 
2.1.1. Análisis de muestras obtenidas mediante mold eo por gravedad 
 
Lingotes de 15 kg de la aleación comercial A356, cuya composición química se 
muestra en la Tabla 2.1, fueron usados en la producción de piezas de aluminio 
para estudiar el efecto de la concentración del refinador de grano Al-5Ti-B. 
La primera etapa de estudio involucra la producción de piezas a través de moldeo 
por gravedad mediante el uso de moldes permanentes. Para esta etapa, se 
utilizaron condiciones industriales en la producción y fundición de la aleación A356. 
El metal fundido (750 °C) fue vertido en un contened or de transferencia y 
subsecuentemente desgasificado. El proceso de desgasificado fue realizado con 
nitrógeno usando un flujo de 24 L/min durante un periodo de 5 minutos. 
 
Tabla 2.1: Análisis elemental de la aleación A356 
Elemento Peso ( %) ± 
Si 6.398 0.421 
Fe 0.098 0.005 
Mg 0.249 0.015 
Ti 0.097 0.011 
Sr 0.01 0.001 
Cu 0.001 0.001 
Mn 0.003 0 
Zn 0.006 0.002 
Ni 0.012 0.001 
Cr 0.001 0.001 
Al Balance 
 
 
23 
 
Diferentes adiciones de Al-5Ti-B, en forma de barras de 200g, fueron realizadas 
en el metal fundido de acuerdo a lo mostrado en la Tabla 2.2 y teniendo como 
mínima concentración en la aleación la adición de 6 barras correspondientes al 
0.25 % de la cantidad de metal fundido. Asimismo, la cantidad máxima de 
refinador de grano fue de 36 barras correspondientes a un 1.52% en peso de la 
A356 fundida en la olla de transferencia. Se hicieron adiciones del refinador en 
incrementos de 6 barras como lo muestra la Tabla 2.2. El total de muestras 
obtenidas en cada corrida fue de 3 piezas. 
Tabla 2.2: Concentración (% en peso y numero de barras) de Al-5Ti-B utilizada en 
la aleación A356. 
No. Barras % en peso 
0 (Aleación sin dopar) 0 
6 0.25 
12 0.51 
18 0.76 
24 1.01 
30 1.26 
36 1.52 
 
La aleación A356 cuya composición química se muestra en la Tabla 2.1, fue 
vertida en un molde permanente, fabricado de acuerdo a la norma ASTM-B 108-99, 
y calentada a una temperatura de 418 ± 28 °C. El lle nado de los moldes (Fig. 2.2b) 
fue llevado a cabo por medio de gravedad a la temperatura previamente 
especificada. La geometría de la pieza resultante puede apreciarse en detalle en 
las Figuras 2.2c y 2.2d 
 
 
24 
 
 
Figura 2.2: (a) Refinador de grano en forma de barras, moldes y piezas resultantes 
en el proceso de fundición de A356 adicionada con diferentes concentraciones de 
Al-5Ti-B. (b) Molde permanente. (c, d) Producto obtenido y secciones utilizadas en 
el análisis microestructural y mecánico. 
 
Del proceso anterior, se realizaron 3 coladas para obtener 3 piezas como la 
ilustrada en la Fig. 2.2 c, y contar con un total de 6 probetas, tomadas de las 
secciones a y b indicadas en la Fig. 2.2d. De las 6 probetas obtenidas de cada 
composición, 2 de cada corrida fueron evaluadas en la condición de colada y las 4 
restantes fueron tratadas térmicamente. Para este propósito, las piezas fueron 
solubilizadas a 540 °C durante 3h, templadas en agua a 60 °C y posteriormente 
envejecidas artificialmente a 165 °C durante tres horas (condición T6). La 
 
25 
 
nomenclatura relacionada, la concentración y condiciones experimentales es dada 
en la Tabla 2.3. 
 
Tabla 2.3: Identificación de las muestras empleadas en la caracterización 
microestructural y mecánica. 
% en peso de Al-
5Ti-B 
Pieza moldeada 
 Identificación de 
probetas 
individuales 
Condición 
0 
1ª 1aa, 1ab Colada 
1b 1ba, 1bb T6 
1c 1ca, 1cb T6 
0.25 
2ª 2aa, 2ab Colada 
2b 2ba, 2bb T6 
2c 2ca, 2cb T6 
0.51 
3a 3aa, 3ab Colada 
3b 3ba, 3bb T6 
3c 3ca, 3cb T6 
0.76 
4a 4aa, 4ab Colada 
4b 4ba, 4bb T6 
4c 4ca, 4cb T6 
1.01 
5a 5aa, 5ab Colada 
5b 5ba, 5bb T6 
5c 5ca, 5cb T6 
1.26 
6a 6aa, 6ab Colada 
6b 6ba, 6bb T6 
6c 6ca, 6cb T6 
1.52 
7a 7aa, 7ab Colada 
7b 7ba, 7bb T6 
7c 7ca, 7cb T6 
 
 
 
26 
 
2.1.2. Análisis de muestras obtenidas mediante mol deo por baja presión 
 
El efecto de la concentración de Al-5Ti-B en la producción de rines automotrices 
fue estudiado en esta etapa, donde las mismas condiciones experimentales 
descritas en la sección anterior fueron usadas para la fundición y desgasificado del 
metal fundido. Concentraciones en la cantidad de refinador fueron elegidas en 
base a resultados de los ensayos mecánicos obtenidos en la etapa anterior. 
Para el sistema de moldeo por baja presión, el metal fundido fue transferido a un 
horno de retención de una máquina de moldeo a baja presión (Fig. 2.3). La 
inyección de los moldes fue tomada de la parte inferior del horno de retención a 
una presión de 0.04 MPa y la solidificación fue llevada a cabo a 0.1 MPa. Un total 
de 15 rines de 17 pulgadas para cada composición, de acuerdo a lo mostrado en 
la Tabla 2.4, fueron fabricadas en un diseño consistente de 5 rayos y mediante el 
uso de moldes permanentes fabricados de acero y protegidos con una cubierta 
protectora, en un intervalo de producción de 5 minutos por cada rin. 
Composiciones y nomenclaturas son resumidas en la Tabla 2.4. Rines 
automotrices en la condición de colada fueron tratados térmicamente de acuerdo a 
las condiciones indicadas en la sección anterior para la condición T6. 
 
Figura 2.3: Olla de transferencia 
 
27 
 
Para analizar el efecto del tiempo de interacción entre el refinador de grano y la 
aleación A356, las ruedas fueron seleccionadasen el lapso de producción de 20 
minutos por cada serie, lo que corresponde a la serie M0, M20, M40 y M60 de 
cada grupo como se observa en la Tabla 2.4. 
Tabla 2.4. Nomenclatura de grupos y muestras individuales 
Grupos 
Barras de 
ATB 
ATB (% en 
peso) 
0 20 40 60 
G0 0 0 G0-M0 G0-M20 G0-M40 G0-M60 
G3 3 0.13 G3-M0 G3-M20 G3-M40 G3-M60 
G6 6 0.27 G6-M0 G6-M20 G6-M40 G6-M60 
G9 9 0.4 G9-M0 G9-M20 G9-M40 G9-M60 
G12 12 0.53 G12-M0 G12-M20 G12-M40 G12-M60 
G15 15 0.66 G15-M0 G15-M20 G15-M40 G15-M60 
G18 18 0.79 G18-M0 G18-M20 G18-M40 G18-M60 
 
El análisis químico, mecánico y microestructural fue realizado en cada uno de los 
cinco rayos de los rines, como se ilustra en la Figura 2.4. 
 
28 
 
 
Figura 2.4: Representación esquemática de las zonas seleccionadas en los rines 
producidos de la aleación A356, para su caracterización mecánica y 
microestructural. 
 
 
29 
 
2.2. DISPERSIÓN DE LA FASE Ce/La EN LA ALEACIÓN A35 6 MEDIANTE 
MOLIENDA MECÁNICA 
 
Una aleación comercial aluminio-cerio-lantano (ACL), con una composición de 
6.0 % en peso de Cerio y 3.0 % en peso de Lantano fue usada para modificar la 
estructura de la aleación A356. La aleación ACL fue agregada en la condición de 
recibido y después de haber sido procesada por molienda mecánica. Para tal 
propósito, rebaba de la aleación ACL fue mecánicamente molida en un molino de 
alta energía SPEX 8000M. La cantidad de material fue de 8.5 g en un contenedor 
de acero D2 tratado térmicamente (Fig. 2.5). 
La relación medio de molienda-cantidad de material fue de 8.5 g. Argón fue usado 
como atmosfera inerte. El tiempo de molienda fue de 5 y 10 h. Polvos obtenidos 
de la molienda mecánica fueron consolidados en frio en forma de discos de 10 mm 
de diámetro. La aleación A356 fue fundida en un horno de crisol de la marca 
Lindberg/blue a 750 °C. El metal fundido fue desgasif icado con Argón durante 10 
minutos. La aleación ACL en condición de recibido y molida mecánicamente fue 
agregada al metal fundido con una concentración de 0.2 % en peso. El metal 
fundido fue agitado durante un periodo de 5 minutos y transferido posteriormente a 
un molde permanente precalentado a 230 °C, donde fue enfriado a temperatura 
ambiente. Las muestras fueron tratadas térmicamente mediante la condición T6, 
empleada en procesos anteriores para esta aleación. 
 
30 
 
 
Figura 2.5: (a,b) Molino Spex, (c) Recipiente y medio de molienda usados en un 
molino Spex 8000M de alta energía. 
 
El diseño experimental seguido en el reforzamiento de la aleación A356 mediante 
la dispersión de tierras raras es esquematizado en la Fig. 2.6. 
 
31 
 
 
Figura 2.6: Representación esquemática del proceso de experimental seguido en 
el estudio del efecto de la adición de tierras raras a la aleación A356. 
 
2.3. CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE LA ALEACIÓN A356 
 
Las propiedades mecánicas de la aleación fueron evaluadas a través del ensayo 
de tensión, donde probetas fueron maquinadas de acuerdo a las dimensiones 
establecidas por la norma ASTM E8 para muestras metálicas. El ensayo fue 
llevado a cabo en una maquina universal INSTRON/337 en condiciones de 
temperatura ambiente usando una velocidad de 0.01mm/s. La prueba de impacto 
Charpy se llevó a cabo en una maquina TINIUS OLSEN/IMPACT 104, y las 
probetas fueron maquinadas de acuerdo a las dimensiones establecidas en la 
norma ASTM E23. El ensayo de dureza se realizó en un durómetro Brinell 
WILSON/K con una carga de 500 kg y un tiempo de permanencia de 14.2 s. Cabe 
aclarar, que en el caso de la etapa de estudio del efecto del refinador Al5TiB en la 
producción de rines de la A356, probetas para el ensayo de tensión e impacto, 
fueron extraídas de zonas específicas como se muestra previamente en la Fig. 2.4. 
 
 
 
 
32 
 
2.4. CARACTERIZACIÓN MICROESTRUCTURAL DE LA ALEACIÓ N A356 
 
El análisis químico para la determinación de la concentración de Al5TiB, así como 
de ACL en la aleación A356 fue determinado mediante un espectrómetro de la 
marca FSQ. El efecto de ACL en la cristalización de la aleación A356 fue 
estudiado mediante difracción de rayos-X en un modelo Panalytical X’Pert PRO 
con detector X’Celerator, en el intervalo de 20 a 140 grados (2θ). 
Muestras para análisis de la microestructura fueron desbastadas mediante papel 
abrasivo y posteriormente pulidas metalográficamente. Superficies pulidas fueron 
atacadas mediante el reactivo Keller (1.5 mL de HCl, 1.5 mL de HF, 2.5 mL de 
HNO3 y 95 mL de agua), con el propósito de identificar los microconstituyentes. La 
caracterización microestructural fue llevada a cabo por microscopia óptica 
mediante un modelo OLYHMPUS/GS-54. El análisis por microscopia óptica para 
las muestras de rines modificadas por Al5TiB fue llevado a cabo en una zona 
específica como fue señalado en la Fig. 2.4. Mediante esta técnica también fue 
evaluado el efecto de Al5TiB en el espaciamiento interdendrítico secundario 
(SDAS por sus siglas en inglés) donde se realizaron de 40 a 50 mediciones en 
cada experimento. La medición del SDAS se basa en el método de intercepción 
como una relación de la longitud del segmento medido entre el número de brazos 
como se especifica en la Fig. 2.7. 
 
33 
 
 
Figura 2.7: Medición del SDAS mediante el método de intercepción lineal. 
 
Adicionalmente, las mediciones para el tamaño de grano fueron llevadas a cabo 
de acuerdo al método de intercepción lineal establecido en la norma ASTM E112. 
El efecto del Al5TiB y ACL en la microestructura y morfología de la aleación A356 
fue estudiada mediante microscopia electrónica de barrido (MEB) en un 
microscopio modelo JEOL/JSM-5800-LV equipado con un espectrómetro de 
energía dispersiva (EDS). 
La interacción de ACL con la aleación A356 fue estudiado en un microscopio 
JEOL modelo JEM-2200FS operado a 200 kv. Muestras de estudio para MET 
fueron preparadas mediante un sistema de haz de iones enfocados (FIB, por sus 
siglas en inglés) usando un equipo JEOL JEM-9320FIB con un nanomanipulador 
OMNIPROBE 200. La zona de análisis fue previamente identificada mediante 
observaciones por MEB. 
 
 
34 
 
 CAPÍTULO III 
 
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
3.1. EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN DEL REFINADOR Al5Ti B EN LA 
ALEACIÓN A356 
 
3.1.1. Análisis de muestras obtenidas mediante mold eo por gravedad 
 
Esta etapa involucra el estudio del efecto del refinador Al5TiB sobre la 
microestructura y propiedades mecánicas de la aleación A356, evaluadas 
mediante el ensayo de tensión. Este ensayo permite identificar de una manera 
más clara los experimentos que deben ser llevados a cabo posteriormente en la 
segunda etapa, la cual comprende la evaluación del efecto del refinador ATB en la 
producción industrial de rines. 
La Fig. 3.1 muestra resultados del análisis microestructural mediante 
microscopia óptica en la aleación A356 modificada por Al5TiB. Micrografías en la 
columna izquierda corresponden a muestras estudiadas en la condición de colada. 
La columna de la derecha presenta el efecto del tratamiento térmico en la aleación 
A356. En ambos casos las muestras se presentan en función de la concentración 
de Al5TiB (para fines prácticos se presentan las concentraciones de 0, 0.76 y 
1.52% en peso de Al5TiB), y la microestructura consiste de una mezcla eutéctica 
(Al-Si) un una morfología dendrítica. Cambios notables en el tamaño del 
espaciamiento interdendritico, SDAS, no son apreciables como función de la 
concentración de Al5TiB. 
 
35 
 
Los resultados del ensayo de tensión en la aleación A356 modificada 
mediante el refinador Al5TiB se presentan en la Fig. 3. en función de la 
concentración de Al5TiB en la aleación A356, para la condición de colada y T6. 
Se observa un aumento esperado en la resistencia mecánica en las 
muestras bajo la condición T6, sin embargo, no son apreciables los cambios en la 
ductilidad de las muestras. Puede observarse, que laspiezas obtenidas a través 
de moldeo por gravedad y modificadas con concentraciones de Al5TiB, tienen 
contenidos de refinador superiores a los utilizados en las practicas diarias a nivel 
industrial, asimismo puede observarse que el efecto en las propiedades 
microestructurales y mecánicas es nulo en función de la concentración de Al5TiB. 
Más aun, la ductilidad presenta una caída constante en función de la 
concentración de refinador. Varios grupos de investigación han reportado un 
incremento en función de la concentración de refinador Al5TiB tanto para aluminio, 
como en aleaciones Al-Si. En una investigación reportada se estudió el efecto del 
refinador Al5TiB en la aleación A356 en concentraciones de 0.1–5.0 % en peso, 
encontrando un efecto notorio en las propiedades mecánicas de la aleación A356 
para una concentración de 2.5% en peso de Al5TiB, y sin alteraciones 
significativas en la elongación de los materiales (Zhu et al., 2009). Sin embargo el 
uso de 2.5% en peso de Al5TiB a escala industrial, resulta costoso en la 
elaboración de grandes piezas. Adicionalmente, problemas mayores con el 
incremento en la concentración de Al5TiB tales como, defectos durante 
operaciones de conformado, aglomeración de boruros y bloqueo de filtros son 
encontrados en operaciones a nivel industrial (Yu et al., 2005).