ALUMINIO Propiedades del aluminio en ingeniería. El aluminio posee una combinación de propiedades que lo convierten en un material material extrem extremadam adamente ente útil úti l en ingenier ingeniería. ía. El alum al umin inio io tiene una de densi nsidad dad baja (2,70 g/cm3), que le confiere una utilidad particularmente importante para el transporte de productos manufacturados El aluminio también tiene buena resistencia a la corrosión en la mayoría de los entornos naturales debido a la película de óxido que se forma en su superficie. A pesar de que el aluminio puro tiene poca resistencia, puede ser aleado hasta alcanzar una resistencia de aproximadamente 100 ksi (690 MPa). El aluminio no es tóxico y se utiliza ampliamente para empaquetar y contener alimentos. Las buenas propiedades eléctricas del aluminio le hacen adecuado para muchas aplicac apl icacione ioness dent dentro ro de la indu industr stria ia eléctric eléctrica. a. El precio precio r el at ativ iv amente bajo junto a sus út il es propiedades propiedades convierte a este metal en uno de los más importantes a nivel industrial. Producción de aluminio. El aluminio es el elemento metálico más abundante de la corteza terrestre y siempre se presenta en estado combinado, con otros elementos como hierro, oxígeno y silicio. La bauxita, que consta principalmente de óxidos hidratados de aluminio, es el mineral comercial más usado para la producción de al um umin inii o. En el proceso Bayer Bayer se hace reaccionar reaccionar baux ba uxititaa con con hidróx hidr óxido ido sódi sódico co caliente calie nte para para con converti vertirr el alum inio in io del mineral en alumínalo sódico. Después de la separación del material insoluble, se provoca la precipitación del hidróxido hidróxido de a l um i ni o a partir de la solución solución de alumínalo. alumínalo. Entonces, Entonces, el hidróxido de aluminio aluminio se engrasa y calcina calcina a óxido de aluminio, A12O3. El A12O3 se disuelve en un baño fundido de criolita (Na3AlF6) y se electroliza en una celda electrolítica (Fig.1; usando ánodos y cátodo de carbono. En el proceso de electrólisis se forma aluminio metálico en estado líquido, que cae al fondo de la celda y es extraído periódicamente. Este aluminio extraído de la celda contiene generalmente desde un 99,5 a un 99,9 % de Al, siendo el hierro y el sili si lici cio o las impurezas principales. principales. El aluminio de las celdas electrolíticas se lleva a grandes hornos revestidos de material refractario refractario donde se refina r efina antes del moldeo. Los elementos aleantes, por separado o en forma de lingotes que los contengan aleados, pueden fundirse también y mezclarse en la carga del horno. En la operación de refino, el metal líquido normalmente se purga con cloro gas para eliminar el H-, gas disuelto, seguido de una limpieza de la superficie del metal líquido para extraer el metal oxidado. Después de que el metal ha sido desgasificado y desescoriado, se le criba y cuela en moldes con forma de lingote para refundición o en forma de lingotes primar primarios ios como lingo lin gote te s en láminas láminas o ling li ngot otes es de extrusión extrusión para fabricación fabricación posterior. posterior.
Fig.1 Celda electrolítica utilizada en la producción de aluminio Aleantes y Clasificación de las aleaciones de Aluminio Hoy en día, una de las principales características que convierte al Aluminio en un material atractivo para la industria son sus aleaciones. Éstas se
obtienen a base de aluminio al que se le agregan diversos elementos o aleantes, los cuales son determinantes para obtener mejoras en las propiedades de este material, incluso cuando nos referimos al aluminio puro (99.99%) utilizado en conexiones eléctricas, tanques para químicos y metalización estos elementos aleantes se vuelven determinantes en la definición de las propiedades de este metal aunque se encuentren en cantidades ínfimas. Por lo tanto, cada elemento aleante le adjudica al aluminio distintas características como por ejemplo puede ser aumentar su dureza o resistencia. Entre éstos elementos se identifican como los principales: Ø Ø Ø
Cobre (Cu): Incrementa sus propiedades mecánicas pero reduce su resistencia a la corrosión y es utilizado en tanques, transbordadores espaciales y aviones. Magnesio (Mg): Aumenta su resistencia tras el conformado en frío y sus usos principalmente son de manera estructural, hidráulica, en carrocerías y tanques contenedores. Silicio (Si): en combinación con Magnesio adquiere una mayor resistencia mecánica.Soldabilidad muy buena por todas las técnicas_ Aplicaciones de uso común en aplicaciones que requieren resistencia a la corrosión, tales como vagones de ferrocarril, equipos marinos, y otras estructuras externas._ Comentarios El aluminio de aleación más comunes disponibles
Ø
Manganeso (Mn): Aumenta sus propiedades mecánicas y es usada en calderería, muebles y equipo médico.
Ø
Zinc (Zn): Reduce la resistencia la corrosión y se usa en partes automotrices, artículos deportivos y parachoques. Soldabilidad no es recomendable_ Aplicaciones de estructuras de aeronaves, Muy común para el engranaje de aterrizaje de aeronaves, soportes del motor, y largueros de alas.
Las aleaciones de aluminio se dividen en dos grandes grupos: Aleaciones para forja y aleaciones para fundición Aleaciones forjadas, las cuales se le dan forma mediante deformaciones plásticas, tienen composiciones y microestructuras significativa distinta a las aleaciones para fundición La composición de ambos grupos se designa mediante cuatro dígitos que indican los solutos principales y, en algunos casos, el nivel de pureza, en las aleaciones para fundir se intercala un punto decimal entre las dos últimas cifras. Después de esta cifra se indica el tratamiento mecánico o térmico aplicada a la aleación § § § § § § §
§
F Estado bruto. Es el material tal como sale del proceso de fabricación. Se aplica a los productos obtenidos mediante procesos de deformación. O Recocido, se aplica a los productos totalmente recocidos para obtener las características mecánicas más bajas posibles. O1: Recocido a elevada temperatura y enfriamiento lento. O2: Sometido a tratamiento termo mecánico. O3: Homogeneizado. Se aplica a los alambrones y a las bandas de colada continua, que son sometidos a un tratamiento de difusión a alta temperatura. W: Solución tratada térmicamente. Se aplica a los materiales que quedan con una estructura inestable y sufren envejecimiento natural después de recibir tratamiento térmico. H: Estado de acritud (aumento de la dureza, fragilidad y resistencia del metal como consecuencia de su forjado en frío). Viene con materiales a los que se ha realizado un endurecimiento por deformación. § H1: Endurecido por deformación hasta obtener el nivel deseado y sin tratamiento posterior. § H2: Endurecido en exceso por deformación y recocido parcial para recuperar suavidad sin perder ductilidad. § H3: Endurecido por trabajo mecánico y luego estabilizado. § H4: Acritud y pintado. Son aleaciones endurecidas en frio y que pueden sufrir un cierto recocido en el tratamiento de curado de la capa de pintura. T: Templado, se designa así al material que ha sido tratado térmicamente para obtener un temple estable con o sin tratamiento térmico complementario. El temple T cuenta con diez subdivisiones numeradas 1-10 que denotan el proceso específico § T1: Enfriado luego de un proceso de deformación realizado a alta temperatura; luego envejecido naturalmente a una condición estable.
§ § § § §
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T2: Recocido, se aplica solamente a piezas fundidas. T3: Tratamiento de solubilizado y luego trabajado en frío. T4: Tratamiento de solubilizado y envejecido natural hasta una condición estable. T5: Enfriado luego de un proceso de deformación realizado a alta temperatura; luego envejecido artificialmente. T6: Solución tratada térmicamente y envejecida artificialmente. Son designados de esta forma los productos que después de un proceso de conformado a alta temperatura no son endurecidos en frío sino que sufren un envejecimiento artificial. T7: Solución tratada térmicamente y sobre envejecida para su completa estabilización. T8: Térmicamente tratada por disolución, trabajada en frío y envejecida artificialmente. T9: Solución tratada térmicamente, envejecida artificialmente y trabajada en frío. T10: Enfriado desde un proceso de fabricación realizado a una elevada temperatura, trabajado en frío y envejecido artificialmente hasta una condición sustancialmente estable.
Clasificación de las aleaciones de aluminio
SERIE DE ALEACIONES DE FUNDICION.
SERIE DE ALEACION DE CONFROMADO (FORJA)
CLASE DE ALEACION
APLICACIONES.
Aluminio puro
1XXX.X
1XXX
Aluminio al 99% de pureza min.
Conexiones eléctricas, tanques para químicos, metalización.
Cobre (Cu)
2XXX.X
2XXX
Aluminio aleado con cobre.
Tanques, trasbordadores espaciales, aviones.
Manganeso (Mn)
3XXX.X
3XXX
Aluminio aleado principalmente de manganeso
Caldaria, muebles, equipo médico.
Silicio (Si)
4XXX.X
4XXX
Aluminio aleado con silicio principalmente
Intercambiadores de calor e ingeniera.
Magnesio (Mg)
5XXX.X
5XXX
Aluminio aleado con magnesio principalmente
Estructural, hidráulica, carrocerías, tanques contenedores.
6XXX.X
6XXX
Aluminio aleado con magnesio-silicio
7XXX.X
7XXX
Aluminio aleado con Zinc principalmente
Partes automotrices, artículos deportivos, parachoques.
8XXX
Otro tipo de aleaciones, por ejemplo Aluminiolitio.
Industria aeronáutica (Li), hoja (Fe)
Magnesio Silicio Zinc (Zn)
Otros elementos
y
8XXX.X
Automóviles, construcción, transporte.
Aleaciones de aluminio forjado no tratable térmicamente. Las aleaciones de aluminio forjado pueden dividirse en dos grupos: aleaciones de aluminio no tratables térmicamente y tratables térmicamente. Las aleaciones de aluminio no tratables térmicamente no pueden ser reforzadas por precipitación y solamente pueden ser trabajadas en frío para aumentar su resistencia. Aleaciones de aluminio forjado no tratable térmicamente son. Aleacion es 1xxx. Estas
aleaciones tienen un contenido en aluminio mínimo del 99,0 % siendo las principales impurezas hierro y silicio (elementos aleantes). Se aporta una adición del 0,12 % de cobre para obtener mayor resistencia. La aleación 1100 tiene una resistencia a la tracción de unos 13 ksi (90 MPa) en condiciones de recocido y se destina principalmente para aplicaciones de trabajo de laminación de metales.
Al eacio nes 3xx x .
El elemento principal de las aleaciones de este grupo es el manganeso y refuerza el aluminio principalmente por reforzamiento en. Solución sólida. La aleación más importante de este grupo es la 3003, que es esencialmente una aleación 1100 con la adición de aproximadamente un 1,25 % de manganeso. La aleación 3003 tiene una resistencia a la tracción de unos 16 ksi (110 MPa) en condición de recocido y es la aleación de uso general que se emplea frecuentemente cuando se requiere buena trabajabilidad.
Aleaciones 5xxx.
El magnesio es el principal elemento aleante de las aleaciones de este grupo y se añade para
conseguir reforzamiento en solución sólida, en cantidades de hasta aproximadamente un 5%. Una de las aleaciones industriales más importantes de este grupo es la 5052. Que contiene alrededor del 2,5 % de magnesio (Mg) y del 0,2 % de cromo (Cr). En la condición de recocido, la aleación 5052 tiene una resistencia a la tracción de unos 28 ksi (193 MPa). Esta aleación se utiliza también en trabajos de laminación de metales, particularmente para autobuses, camiones y aplicaciones marinas. Aleaciones de aluminio forjado tratable térmicamente. Algunas aleaciones de aluminio pueden reforzarse por precipitación mediante tratamientos térmicos Aleaciones 2.v.v.v.
El principal elemento aleante de las aleaciones de este grupo es el cobre, pero la mayor parte de estas aleaciones contienen también magnesio. También se añaden pequeñas cantidades de oíros elementos. Una de las aleaciones más importantes de este grupo es la 2024, que conti ene alrededor de un 4,5 % Cu., un 1.5 % de Mg y un 0,6 % de Mn. Esta aleación se encuentra reforzada principalmente por los mecanismos de endurecimiento por solución sólida y reforzamiento por precipitación. Un compuesto intermetálico de composición aproximada a la de AI2CuMg es el principal precipitado reforzado. La aleación 2024 en la condición T6 tiene una resistencia a la tracción de unos 64 ksi (442 MPa) y se utiliza, por ejemplo, para estructuras de aviones. A92024 (ASM 2024) Aleación primaria de cobre Maquinabilidad: se utilice refrigerante a base de aceite Temple T4 o T6 (es decir, 2024-T4 o T6-2024) Soldabilidad no es recomendable Aplicaciones de ruedas de camiones, estructuras de aeronaves Comentarios de una aleación de aluminio muy común que tiene una alta resistencia al cociente de peso
Aleaciones 6 .v.v.v. Los principales elementos aleantes para el grupo óxxx son magnesio y silicio. Que se combinan entre
sí para formar un compuesto intermetálico. Mg, Si, que, en forma de precipitado, refuerza este grupo de aleaciones. La aleación 6061 es una de las aleaciones más importantes de este grupo, y tiene una composición aproximada de 1,0 % Mg, 0,6 % Si. 0.3 % Cu y 0,2 7% Cr. Esta aleación en las condiciones T6 del tratamiento térmico posee una resistencia a la tracción de unos 42 ksi (290 MPa) y es utilizada para fines estructurales de carácter general. A96061 (ASM 6061) Aleación principal de silicio y magnesio Maquinabilidad muy bueno. La norma de que todos los aluminios se comparan con otros. Temple T4 o T6 (es decir, 2024-T4 o T6-2024) Soldabilidad muy buena por todas las técnicas Aplicaciones de uso común en aplicaciones que requieren resistencia a la corrosión, tales como vagones de ferrocarril, equipos marinos, y otras estructuras externas. Comentarios El aluminio de aleación más comunes disponibles Al eacio nes 7xv .v. Los
principales elementos aleantes de las aleaciones de aluminio del Grupo 7xxx son cinc, magnesio y cobre. El cinc y el magnesio se combinan para formal- el compuesto intermetálico MgZn, que es el precipitado básico que refuerza estas aleaciones cuando son tratadas térmicamente. La solubilidad relativamente alta del cinc y del magnesio en aluminio hace posible la creación de una densidad alta de precipitados y, por eso, produce grandes aumentos en la resistencia. La aleación 7075 es una de las aleaciones más importantes de este grupo y tiene una composición aproximada de 5,6 % Zn, 2,5 % Ma. 1.6% Cu y 0,25% de Cr. La aleación 7075, cuando es tratada térmicamente con T6, tiene una resistencia a la tracción de aproximadamente 73 ksi (504 MPa) y se usa principalmente en estructuras de aviones. A97049 (ASM 7049) Aleación primaria de zinc Maquinabilidad buen uso de refrigerantes a base de aceite Típicamente varía Soldabilidad no es recomendable Aplicaciones de estructuras de aeronaves Comentarios del maquinista casi siempre se sale con este material en una condición falsa. Muy común para el engranaje de aterrizaje de aeronaves, soporte del motor, y largueros de alas.
Propiedades y Aplicación típica de ocho aleaciones de cobre
Al eaci on es d e alu mini o p ara fun di ción
Las aleaciones para fundición, se han desarrollado para que tengan cualidades de colada, como fluidez, fácil alimentación y así como buenas propiedades como resistencia a la tensión, ductilidad y resistencia a la corrosión. Procesos de fundición. Las aleaciones de aluminio son fundidas principalmente por tres procesos: fundición de arena, molde permanente y fundición a presión o en coquilla.
Composiciones de aleaciones de aluminio para fundición. 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. Como resultado, estas composiciones químicas difieren bastante de las aleaciones de aluminio para forja. En la Tabla 13.3 se recogen las composiciones químicas, las propiedades mecánicas y las aplicaciones de algunas aleaciones para fundición de aluminio seleccionadas. El silicio, en el rango entre el 5 y el 12 por 100, es el elemento de aleación más importante dentro de las aleaciones de aluminio para fundición, ya que promueve un aumento de la fluidez en los metales fundidos y su capacidad de alimentación en los moldes, así como el fortalecimiento del aluminio. La adición de magnesio, en un porcentaje entre el 0,3 y el 1 por 100, se realiza con objeto de aumentar la resistencia, principalmente mediante endurecimiento por precipitación a través de un tratamiento térmico. En algunas aleaciones de aluminio para fundición se añade a veces cobre en una proporción comprendida entre el 1 y el 4 por 100, a fin de aumentar la resistencia, especialmente a temperaturas elevadas. Otros elementos de aleación como cinc, estaño, titanio y cromo suelen ser ocasionalmente incorporados a estas aleaciones de aluminio para fundición. : En algunos casos, si la velocidad de enfriamiento del fundido en vía de solidificación en el molde es suficientemente rápida, es posible la producción, al estado sólido supe saturado, de una aleación tratada térmicamente. De este modo, las etapas de tratamiento térmico por solución y templado se pueden omitir en el proceso de endurecimiento por precipitación de la fundición, y sólo se requiere el subsiguiente envejecimiento de la pieza fundida una vez que ha sido retirada del molde. Un buen ejemplo de la aplicación de este tipo de tratamiento térmico es la producción de pistones (para automóviles) endurecidos por precipitación. El pistón que se muestra en la Figura, después de ser extraído del molde, sólo necesita un tratamiento de envejecimiento para estar endurecido por precipitación. Es te grado de endurecimiento por tratamiento térmico se llama T5.
Aleaciones más comunes para fundición
Recocidos Las piezas moldeadas se suele calentar a unos 350°C durante unas tres horas y después se enfrían lentamente dentro del horno. De este modo se consigue el recocido de homogeneización. Si solo interesa eliminar las tensiones internas suele ser suficiente un calentamiento de 200 a 250°C durante unas cinco horas. Las aleaciones aluminio-magnesio, con porcentaje superior de 3,5% de magnesio no deben calentarse a temperaturas de 100 a 200°C ya que esto contribuye a la corrosión intercristalina.