qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqw ertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwert yuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopa ALEACIONES DE ALUMINIO Materiales de fabricación, protección y sdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdf acabado ghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghj klzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklz xcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcv bnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbn mqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwe rtyuiopasdfghjklzxcvbnmqwerty uiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuio pasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopas dfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjk 03 de diciembre del 2012
Mario NAVARRETE CABRERA
MATERIALES DE FABRICACION, PROTECCION Y ACABADO.
INTRODUCCION En la actualidad el aluminio es un metal muy usado por su densidad y sus características mecánicas con elementos aleados. El aluminio es el metálico más abundante en la Tierra y en la Luna, pero nunca se encuentra en forma libre en la naturaleza. Se halla ampliamente distribuido en casi todas las rocas, sobre todo en las ígneas, que contienen aluminio en forma de minerales de alúmino silicato. Cuando estos minerales se disuelven, según las condiciones químicas, es posible precipitar el aluminio en forma de arcillas minerales, hidróxidos de aluminio o ambos. En esas condiciones se forman las bauxitas que sirven de materia prima fundamental en la producción pro ducción de aluminio. Elemento químico metálico, de símbolo Al, número atómico 13, peso atómico 26.9815 g/mol, que pertenece al grupo IIIA del sistema periódico o Tabla Periódica. El aluminio puro es blando y tiene poca resistencia mecánica, pero puede formar aleaciones con otros elementos para aumentar su resistencia y adquirir varias propiedades útiles. Las aleaciones de aluminio son ligeras, fuertes, y de fácil formación para muchos procesos de metalistería; son fáciles de ensamblar, fundir o maquinar y aceptan gran variedad de acabados. Por sus propiedades físicas, químicas y metalúrgicas, el aluminio se ha convertido en el metal no ferroso de mayor uso.
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ALEACION ES
DE ALUMINIO
El aluminio aluminio y sus aleaciones aleaciones se caracterizan por la relativamente relativamente baja densidad (2.7 g/cc comparada con 7.9 g/cc del acero), elevadas conductividades eléctrica y térmica y resistencia a la corrosión en algunos medios, incluyendo el atmosférico. A muchas de estas aleaciones se les puede dar formas diferentes con facilidad debida a su elevada ductilidad; esto es evidente en el aluminio a luminio puro, que se puede pu ede convertir en papel y enro llar. El aluminio aluminio tiene una estructura cúbica centrada en las caras y es dúctil incluso a temperatura ambiente. La principal limitación del aluminio es la baja temperatura de fusión (660ºC), que restringe su campo de aplicación. La resistencia mecánica del aluminio se logra por acritud y por aleación; sin embargo ambos procesos disminuyen la resistencia a la corrosión Los principales elementos de aleación son cobre, magnesio, silicio, silicio, manganeso y zinc. Algunas de las aplicaciones más comunes de las aleaciones de aluminio son: partes estructurales de los aviones, latas para bebidas refrescantes, partes de las carrocerías de autobuses y de los automóviles auto móviles (culatas, pistones y colectores de escape). Actualmente se presta mucha atención a las aleaciones de aluminio y de otros metales de baja densidad (Mg, Ti) como materiales utilizados en los transportes, debido al efecto de ahorro de combustible. Una importante característica de estos materiales es la resistencia específica, cuantificada como la relación entre resistencia resistencia a la tracción y densidad. Aunque una aleación de estos metales tenga una resistencia a la tracción inferior a la de un material más denso (acero), para un peso determinado puede aguantar una carga mucho mayor.
ENDUR ECIMIENTO
POR PR ECIPITACION (ENVEJECIMIENTO)
El proceso del endurecimiento se usa para au- mentar la solidez de muchas aleaciones de aluminio y otros metales. El objeto del endurecimiento por precipitación es crear, en una aleación tratada térmicamente, una densa y fina dispersión de partículas precipitadas en una matriz de metal deformable. Las partículas precipitadas actúan como obstáculos al movimiento de las dislocaciones, y de ese modo consolidan la aleación tratada térmicamente. Al envejecimiento de la aleación a temperatura ambiente se le denomina ³envejecimiento natural´, mientras que el envejecimiento a elevadas temperaturas se denomina ³envejecimiento artificial´. artificial´.
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ALEACION ES
DE ALUMINIO FOR JA JADO
Las aleaciones de aluminio en formas usuales para forja son clasificadas de acuerdo con los elementos aleantes principales que contenga la aleación. Para identificar las aleaciones de aluminio forjado se utiliza una designación nu mérica de cuatro dígitos. Las aleaciones de aluminio para forja for ja pueden ser divididas en dos grupos: grupo s: - Aleaciones Aleaciones no tratables térmicamente. Las aleaciones de aluminio no tratables térmicamente no pueden ser endurecidas por precipitación y solamente pueden ser trabajadas e n frío para aumentar su resistencia. - Aleaciones tratables térmicamente. Algunas aleaciones de aluminio para forja tratables térmicamente pueden ser endurecidas por precipitación con tratamientos térmicos.
ALEACION ES
DE ALUMINIO PAR A FUNDICIÓN
Las aleaciones de aluminio son fundidas principalmente por tres procesos: fundición de arena, molde permanente y fundición fundición en e n coquilla.
Fundición de arena: Es el más sencillo y versátil de los procesos de fundición del aluminio. Es normalmente elegido para la producción de: - Cantidades pequeñas de piezas fundidas idénticas. idénticas. - Piezas fundidas fundidas complejas con núcleos complicados. - Grandes piezas fundidas. fundidas. - Piezas fundidas fundidas para la construcción.
Fundición con molde permanente: Se vierte el metal fundido en un molde metálico permanente bajo gravedad y bajo presión centrífuga solamente. Las piezas fundidas así tienen una estructura de grano más fino, y son más resistentes que las piezas fundidas con moldes de arena, debido a que la velocidad de enfriamiento es más rápida. Además, las piezas fundidas en molde permanente poseen generalmente menores contracciones y porosidad que las piezas fundidas en arena. Sin embargo, los moldes 3
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permanentes tienen limitaciones de tamaño, y para piezas complejas puede resultar difícil o imposible.
Fundición en coquilla: Se funden piezas idénticas al máximo ritmo de producción forzando el metal fundido bajo considerables presiones en los moldes metálicos. Las dos partes de la matriz de metal son engatilladas de forma segura para poder po der resistir la alta presión. El aluminio fundido es obligado a repartirse por las cavidades de la matriz. Cuando el metal se ha solidificado, las matrices son desbloqueadas y abiertas para extraer la pieza fundida caliente. Algunas ventajas de la fundición a presión p resión son: - Las piezas piezas están casi acabadas y pueden producirse a un alto alto ritmo. - Las tolerancias tolerancias adimensionales de cada parte de la pieza fundida fundida pueden ser mantenidas más sólidamente. - Es posible posible la obtención de superficies superficies suaves. - El proceso puede ser ser automatizado. automatizado. undición: Composiciones de aleaciones de aluminio para f undición:
Las aleaciones de aluminio para fundición han sido desarrolladas habida cuenta de que proporcionan calidades de fundición idóneas, como fluidez y capacidad de alimentación, así como valores optimizados para propiedades como resistencia a la tensión, ductilidad y resistencia a la corrosión. Difieren bastante de las a leaciones para forja.
CONFORMACION DEL ALUMINIO El aluminio puro es relativamente débil, por ello se han desarrollado diversas aleaciones con diversos metales como el cobre, magnesio, manganeso y zinc, por lo general, en combinaciones de dos o más de estos elementos junto con fierro y silicio, obteniéndose una infinidad de aleaciones para una gran variedad de aplicaciones incluso con características superiores al acero. Se ha clasificado las aleaciones de aluminio mediante la siguiente nomenclatura: Serie 1000: Aluminio Aluminio con un mínimo de pureza de 99% Serie 2000: Aleado con Cobre Serie 3000: Aleado con Manganeso Serie 4000: Aleado con co n Silicio Serie 5000: Aleado con co n Magnesio Serie 6000: Aleado con co n Silicio - Magnesio 4
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Serie 7000: Aleado con Zinc.
SERIE
CAR ACTERÍSTICAS DE ALEACION ES CAR ACTERISTICAS
Serie 1000
Alta resistencia ala corrosión. No tóxico. Excelente acabado. Excelente maleabilidad. Alta conductividad eléctrica y térmica. Excelente efectividad. Alta resistencia mecánica. Alta resistencia ala corrosión. Buena maquinabilidad. Buena resistencia mecánica. Alta resistencia ala coerción. Buena maleabilidad. Alta resistencia al calor. Buena resistencia mecánica. Alta resistencia a la co corrosión, rrosión, especialmente al agua de mar. Muy buena soldabilidad. Buena resistencia mecánica. Buena resistencia ala corrosión. co rrosión. Buena maquinabilidad. Buena soldabilidad. Alta resistencia mecánica. Buena maquinabilidad.
Serie 2000
Serie 3000
Serie 4000 Serie 5000
Serie 6000
Serie 7000
SERIE
1000 - DUR AL ALUMINIO
El duraluminio (DA) corresponde a otro caso de aplicación en ingeniería de estructuras meta estables. Tomemos el caso de la sencilla aleación fundamental Al-4,5% Cu, en peso. Ver diagramas Cu-Al adjuntos, Figs. 1 y 2. Los Das han sido importantes aleaciones de aviación. Aún se utilizan en algunas aeronaves, si bien las más modernas modernas emplean aleaciones de Titanio, desde hace unos 20 años. Los DA desplazaron a los aceros en muchas aplicaciones donde el cociente entre alguna propiedad mecánica y el peso es importante: aeronáutica, Fórmula 1, casas rodantes, etc. La estructura de equilibrio a temperatura ambiente, +, ver Fig. 3, es indeseable por la fragilidad de la fase de equilibrio . Esta fase corresponde al intermetálico CuAl, Al52,5%p.Cu. Las características frágiles de esta fase son muy nocivas cuando aparece, por enfriamiento lento, en los los bordes de grano. Por otra parte, la fase fase a es una solución sólida 5
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de sustitución, de carácter metálico y, por ende, bastante dúctil; se trata de Cu disuelto en Al (ccc). En la aleación considerada, por temple desde 520°C es posible retener a temperatura ambiente la fase a, en forma metaestable, ver Fig. 4. (Aquí no hay transformación martensítica). Al calentamiento a 520ºC se le denomina tratamiento de solubilización, pues rápidamente todo el Cu entra en solución sólida. Nótese que para esta aleación, el rango de temperaturas al cual se tiene sólo fase es bastante estrecho, no son más de unos 30ºC; de otra manera se obtiene una fracción de líquido o de fase . Esta fase está sobresaturada en Cu, respecto del Cu que debería contener la fase a de estar esta última al equilibrio estable; nótese que la composición de esa fase al equilibrio se lee al costado izquierdo del campo a+, en el diagrama binario de la Fig. 2. En tal estado metaestable, al tenerse una fase metálica, el material templado es dúctil y puede ser conformado plásticamente y/o mecanizado por arranque de viruta u otro procedimiento. (Las soluciones sólidas de sustitución no son tan duras como las de inserción). Después, el DA puede ser endurecido a través de un tratamiento térmico de ³envejecimiento´ en el campo bifásico +; de esta manera, la fase a sobresaturada tenderá a evolucionar hacia el equilibrio. Este tratamiento debe hacerse a una temperatura adecuada y por una duración duración adecuada. En un correcto envejecimiento se produce la precipitación precipitación de finas partículas partículas de una segunda fase en la matriz a, con lo lo que el material endurece. Un correcto proceso de manufactura consiste entonces en: -Primero, el metal se templa y luego es conformado plásticamente (o bien mecanizado) en el blando estado estado de temple, temple, a sobresaturado. -Después, una vez que ya se le ha dado la forma adecuada, se procede a endurecer por envejecimiento, antes de que la pieza vaya al servicio. Esto por combinaciones adecuadas de tiempo y temperatura. Para evitar que el material templado aún no trabajado endurezca en las bodegas, se procura conformarlo poco después del temple, o bien hay que guardarlo en refrigeradores. Las transformaciones de precipitación durante el envejecimiento son bastante complejas, pues aparece una secuencia de varios precipitados. El envejecimiento de dureza máxima máxima (y razonable ductilidad) corresponde a la la formación de una fina fase fase ´´ ´´ metaestable. Si el tratamiento se prolonga demasiado, indeseablemente la dureza disminuye: los precipitados de fase ´´ ´´ crecen crece n y se transforman gradualment gradu almentee primero en precipitados precipitado s ´ y después en la fase de equilibrio (sobreenvejecimiento). La secuencia de las transformaciones de precipitación en el horno de envejecimiento es la siguiente:
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- Solución Solución sólida a, sobresaturada en Cu. - Zonas Zonas o fase fase . Son especi especies es de discos discos de 1-4 nm de espesor espesor y de 10-100 10-100 nm de diámetro. Ver Fig. 5). - Fase - Fase de equilibrio equilibrio (CuAl). Los precipi precipitados tados de que aparecen aparecen en estas aleaciones aleaciones son muy muy finos finos como para poder poder observarlos por microscopía óptica, y se requiere Microscopía Electrónica de Transmisión (MET); esta misma técnica es la que permite ver los finos carburos precipitados en la martensita martensita revenida. En la industria se evita el uso de MET (muy (muy cara y compleja) utilizando materias materias primas y procesos muy controlados, además de mediciones mediciones de propiedades mecánicas y de conductividad eléctrica. Fig 1. Diagrama Cu-Al completo.
Fig. 2 sector rico en Al del de l diagrama Al-Cu.
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Fig. 3 Representación esquemática esquemát ica de la estructura de equilibrio, obtenida po r enfriamiento lento desde los los 520ºC, de una una aleación aleación Al-4,5%p.Cu
Fig 4. Esquema de los los tratamientos de temple y envejecimiento envejecimiento en un plano Temperatura ±tiempo.
Fig. 5 Microestructuras en las distintas etapas del tratamiento de t emple y endurecimiento. Las microestructuras1, 2 y 3 están en correspondencia con los puntos 1, 2 y 3 de la Fig. 2. La microestructura 4 corresponde a un sobreenvejecimiento.
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SERIE
2XXX.
En estas aleaciones el principal elemento aleante es el Cu, pero a veces también se le añade Mg. características de esta serie son: Buena relación dureza-peso y mala resistencia a la corrosión. En lo referente a la primera característica decir que algunas de las aleaciones de esta serie tienen que ser sometidas a TT de solubilidad y a veces de envejecimiento para mejorar sus propiedades mecánicas. Una vez hecho esto la serie 2xxx tiene unas propiedades mecánicas que son del orden y, a veces superiores, que las de los aceros bajos en carbono. El efecto de los TT es el aumento de la dureza con una bajada de la elongación. En lo referente a la segunda característica estas aleaciones generalmente son galvanizadas con aluminio de alta pureza o con aleaciones de la serie 6xxx para protegerlas de la corrosión y que no se pro duzca corrosión intergranular. Las
Los usos más frecuentes que se le dan a estos aluminios son (generalmente son usados en lugares donde sea necesario una alta relación dureza-peso) en las ruedas de los camiones y de los aviones, en la suspensión de los camiones, en el fuselage de los aviones, en estructuras que requieran buena dureza a temperaturas superiores a 150 ºc. Para finalizar decir que salvo la aleción 2219 estas aleaciones tienen una mala soldabilidad pero una maquinabilidad muy buena. SERIE
3XXX.
En estas aleaciones el principal elemento aleante es el Mn. Estas aleaciones tan solo tienen un 20% más de dureza que el aluminio puro. Eso es porque el Mn solo puede añadirse de forma efectiva en solo un 1.5%. Por ello hay muy pocas aleaciones de esta serie. Sin embargo los aluminios 3003, 3×04 y 3105 son muy usados para fabricar utensilios que necesiten dureza media y que sea necesario buena trabajabilidad para fabricarlos como son botellas para bebidas, utensilios de cocina, intecambiadores de calor, mobiliario, señales de tráfico, tejados y otras aplicaciones arquitectónicas. SERIE
4XXX.
En esta serie el principal elemento aleante es el Si que suele añadirse en cantidades medianamente elevadas (por encima del 12%) para conseguir una bajada del rango de fusión de la aleación. El objetivo es conseguir una aleación que funda a una temperatura más baja que el resto de aleaciones de aluminio para usarlo como elemento de soldadura. Estas aleaciones en principio no son tratables térmicamente pero si son usadas en soldadura para soldar otra aleaciones que son tratables térmicamente parte de los elementos aleantes de las aleaciones tratables térmicamente pasan a la serie 4xxx y convierten una parte de la aleación en tratable térmicamente. Las aleaciones con un elevado nivel de Si tienen un rango de colores que van desde el gris oscuro al color carbón y por ello están siendo 9
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iciente de demandadas en aplicaciones arquitectónicas. La 4032 tiene un bajo coef iciente expansión térmica y una alta resistencia al desgaste lo que la hace bien situada para su uso en la f abricación abricación de pistones de motores. SERIE
5XXX.
Esta serie usa como principal elemento aleante el Mg y a veces también se añaden pequeñas cantidades de Mn cuyo objetivo es el de endurecer el aluminio. El Mg es un elemento que endurece más el aluminio que el Mn (un 0.8 de Mg produce el mismo efecto que un 1.25 de Mn) y además se puede añadir más cantidad de Mg que de Mn. Las principales características de estas aleaciones son una media a alta dureza por endurecimiento por deformación, buena soldabilidad, buena resistencia a la corrosión en ambiento marino y una baja capacidad de trabajo en frío. Estas características hacen que estas aleaciones se usen para adornos decorativos, hornamentales y arquitectónicos, en el hogar, iluminación de las calles y carreteras, botes, barcos y tanques criogénicos, partes de puentes grúa y estructuras de automóviles. SERIE
6XXX.
En estas aleaciones se usan como elementos aleantes el Mg y el Si en proporciones adecuadas para que se forme el Mg2Si. Esto hace que esta aleación sea tratable térmicamente. Estas aleaciones son menos resistentes que el resto de aleaciones, a cambio tiene también formalidad, soldabilidad, maquinabilidad y resistencia a la corrosión. Estas aleaciones pueden moderarse por un TT T4 y endurecido por una serie de acciones que completen el TT T6. Su uso suele ser el de aplicaciones arquitectónicas, cuadros de bicicletas, pasamanos de los puentes, equipo equ ipo de transporte y estructuras soldadas. SERIE
7XXX.
El Zn añadido en proporciones que van desde el 1 al 8 % es el elemento aleante en mayor proporción en estas aleaciones. A veces se añaden pequeñas cantidades de Mg para hacer la aleación tratable térmicamente. También es normal añadir otros elementos aleantes como Cu o Cr en pequeñas cantidades. Debido a que la principal propiedad de estas aleaciones es su alta dureza se suele usar en las estructuras de los aviones, equipos móviles y otras partes altamente forzadas. Debido a que esta serie muestra una muy baja resistencia a la corrosión bajo tensión se le suele aplicar levemente un TT para conseguir una mejor mezcla de propiedades.
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