aluminio

Lección Lección 23: 2 3: El alumin io y otros m ateriales ateriale s m etálicos 1. P roducción 2. P ropiedades ropiedades del alum inio 3. Aleaciones 4. El conformado: conform ado: M étodos Extrusión Ext rusión,, Fundición, Fundición , Laminación Lam inación,, Estirado 5.-Tratam 5.-T ratam ientos térm icos de acabado y protección: anod an odiza izado do y lac l acad adoo 6.-- Aplic 6. Apl icac acio ione ness 7.-- O tros 7. tr os meta me tale less

1.-- Introduc 1. Intro ducci ción ón + El aluminio es un material de considerable importancia en la actualidad, a la vez que de uso múltiple. + Sin duda, es el metal después del acero que se utiliza con mayor frecuencia. + Iniciación en aeronáutica. + El procedimiento de obtención mas importante y económico sigue siendo la electrolisis en metal fundido, con intenso consumo energético. + Alta trabajabilidad.

1.-- Introduc 1. Intro ducci ción ón + El aluminio es un material de considerable importancia en la actualidad, a la vez que de uso múltiple. + Sin duda, es el metal después del acero que se utiliza con mayor frecuencia. + Iniciación en aeronáutica. + El procedimiento de obtención mas importante y económico sigue siendo la electrolisis en metal fundido, con intenso consumo energético. + Alta trabajabilidad.

1.-- Introduc 1. Intro ducci ción ón + Es un material muy abundante en la naturaleza (formando parte de las arcillas, bauxitas, criolitas, etc.) para su uso industrial el aluminio es extraído por electrolisis de la bauxita (donde se encuentra en forma de oxido hidratado Al 2O3). + Existen diferentes métodos para la obtención: Bayer,Rey Bayer,Reynold nolds, s, Alcoa (perfecci (perfeccionami onamiento ento del del Bayer Bayer alumin alumina a de mayor mayor pureza pureza))

SISTEMA BAYER PARA LA OBTENCIÓN DE ALUMINA BAUXITA NaOH Quebrantación, desecación, molienda fina ataque ataque con NaOH NaOH alta P y T Decantación, enfriamiento, filtración

Fangos rojos, comp de silice, silice, óxidos de hierro y titanio

Disolución de(Aluminato Sódico) Hidrolización, precipitación, decantación Concentración

Filtración AL(OH) 3

+ Para obtener 1 T. de aluminio hacen falta 2 T. de alúmina y una gran cantidad de electricidad. A su vez, para producir 2 T. de alúmina se necesitan 4 T. de bauxita, en un proceso complejo que requiere equipos de gran tamaño.

Calcinación 1300 ºC

Alumina Calcinada AL2O3

1.- Introducción + La alúmina. Componentes: El óxido de aluminio se disuelve en

un baño fundido de criolita (Na3AlF6) + Se produce la electrólisis ánodo de carbono y energía de ( 17 y 20 kWh por cada kilo de metal de aluminio) . Tº entorno a los 1000ºC 1.- Corriente por la mezcla, descomposición Al y O2 2.- Al al cátodo ( aluminio metálico en estado líquido con una pureza entre un 99,5 y un 99,9%)

3.- Oxigeno al ánodo (Carbono)

1.- Introducción + La alúmina. + El gran problema del aluminio es el precio de la energía que consume para producirlo y que representa entre un 25% y un 30% del costo de producción del metal. + Por esta razón se están desarrollando procesos alternativos que permiten una reducción de la energía necesaria, hasta un 70% menos que con el procedimiento electrolítico.

2.- Propiedades del aluminio PROPIEDAD

VALOR MEDIO

TIPO

ACERO

Densidad

2,7 Kg/dm³

Ligero

7.85

Coeficiente dilatación

23 x 10-6m/cm

Alto

1.3x10-5

Transmisión térmica

175 Kcal/Hm²

Alto

50

Módulo de elasticidad

650000 kg/cm2

Medio

2000000

Resistencia a tracción

250-300

Bajo

400-600 N/mm2

Punto de fusión

658 ºC

Bajo

1535ºC

Dureza Mohs

2,9

Blando

Calor específico

0,21 Cal/g x ºC

Bajo

+ No es magnético ni tóxico + Altas prestaciones mecánicas y más aleado + Resistente a la corrosión + Conductor del calor y electricidad + Resistente a bajas temperaturas

0.12

2.- Propiedades del aluminio PROPIEDADES QUÍM ICAS + Posee una gran afinidad con el oxígeno, recubriéndose de

una delgada capa de óxido que lo protege del exterior. + Esta capa puede reforzarse por procedimientos químicos o electrolíticos, que son el origen de los diversos tratamientos de acabado y que le proporcionan una gran resistencia a la intemperie. + Poseen un carácter electronegativo es posible la formación de pares galvánico corrosivos entre el aluminio y dichos metales en presencia de humedad, si no se toman las debidas precauciones. + Sensible a compuestos alcalinos (sosa, carbonatos, cementos….)

2.- Propiedades del aluminio Comportamiento frente a sus sustancias orgánicas

2.- Propiedades del aluminio Comportamiento frente a sus sustancias inorgánicas

2.- Propiedades del aluminio CONSECUENCIAS DERIVADAS DE LAS PROPIEDADES: Reducido peso En las construcciones en las que el peso

signifique un coste adicional o en la que por cargas dinámicas o estáticas interese reducir masas inertes, el aluminio es el material más idóneo Inercia química El excelente comportamiento frente a la corrosión en atmósferas, lo hacen adecuado para construcciones arquitecturales y marinas, así como en la industria química y alimenticia Conductividad eléctrica conductor eléctrico, más elevado después del cobre. Aislamiento térmico el elevado poder de reflexión, lo hacen un excelente material termoreflectante

2.- Propiedades del aluminio CONSECUENCIAS DERIVADAS DE LAS PROPIEDADES: Facilidad de conformado La baja temperatura de fusión del

aluminio permite el cómodo moldeo del metal. Esta misma propiedad facilita el soldado del aluminio,(formación de perfiles) Inconveniente Baja resistencia mecánica, pero se puede

resolver con el empleo de aleaciones industriales del aluminio

3.- Aleaciones de aluminio +Designación según UNE-EN 573-94.

La designación simbólica del aluminio y las aleaciones de aluminio se basan en los símbolos químicos, seguidos de dígitos que indican el grado de pureza del aluminio o el contenido nominal del elemento considerado. EN AW-1100 [Al 99.0 Cu]

EN.- Prefijo de elemento normalizado. A.- Letra identificativa del aluminio. W.- Letra identificativa de ser productos de forja. 1100.- Número de orden dentro del grupo de aleaciones de aluminio. Al 99.0.- Porcentaje del grado de pureza de aluminio. Cu.- Elemento cobre incluido en contenido muy bajo.

3.- Aleaciones de aluminio La designación numérica utiliza un sistema de designación de cuatro dígitos, precedida por una codificación de letras mayúsculas que identifican a las aleaciones de aluminio. EN A W-0000

X1X2X3X4 - X1 tipo de aleación: 1.- Aluminio, 2.- Cobre, 3.- Mn, 4.- Si, 5.- Mg, 6.- Mg y Si, 7.- Zn - X2: Impurezas o modificaciones de 0 a 9 + Se añade un indicador del estado: F= bruto T= tratamiento térmico O= recocido H= deformación en frío

3.- Aleaciones de aluminio + Las aleaciones se pueden dividir en dos grandes grupos:

Aleaciones de aluminio forjado sin tratamiento térmico

Las aleaciones que no reciben tratamiento térmico solamente pueden ser trabajadas en frío para aumentar su resistencia. Hay tres grupos principales de estas aleaciones según la norma AISI-SAE que son los siguientes: Aleaciones 1xxx. Son aleaciones de aluminio técnicamente puro, al 99,9%

siendo sus principales impurezas el hierro y el silicio como elemento aleante. Se les aporta un 0.12% de cobre para aumentar su resistencia. Tienen una resistencia aproximada de 90 MPa. Se utilizan principalmente par trabajos de laminados en frío. Se emplea en construcción para fabricar chapas lisas para zócalos, paneles y remates de fachadas, paneles sandwich, chapas plegadas para cubiertas, etc

3.- Aleaciones de aluminio Aleaciones 3 xxx. El elemento aleante principal de este grupo de aleaciones

es el manganeso (Mn) que está presente en un 1,2% y tiene como objetivo reforzar al aluminio. Tienen una resistencia aproximada de (110MPa) en condiciones de recocido. Se utilizan en componentes que exijan buena mecanibilidad. Bajo empleo en edificación Aleaciones 5xxx. En este grupo de aleaciones

es el magnesio (10%). Tiene una resistencia aproximada de (193MPa) en condiciones de recocido. Excelente soldabilidad ejemplo serie 5003 y resistencia a la corrosión marina

3.- Aleaciones de aluminio +Aleaciones de aluminio forjado con tratamiento térmico

Hay tres grupos principales de este tipo de aleaciones. Aleaciones 2xxx: El principal aleante de este grupo de aleaciones es el cobre

(Cu), aunque también contienen magnesio Mg. Estas aleaciones con un tratamiento T6 tiene una resistencia a la tracción aproximada de (442 MPa) y se utiliza en la fabricación de estructuras de aviones. Aleaciones 6xxx. Los principales elementos aleantes de este grupo son

magnesio y silicio. Con unas condiciones de tratamiento térmico T6 alcanza una resistencia a la tracción de (290MPa) y es utilizada para perfiles y estructuras en general.

3.- Aleaciones de aluminio Aleaciones 7xxx. Los principales aleantes de este grupo de aleaciones con

cinc, magnesio y cobre. Con un tratamiento T6 tiene una resistencia a la tracción aproximada de (504MPa) y se utiliza para fabricar estructuras de aviones

3.- Aleaciones de aluminio Los principales elementos aleantes del aluminio son los siguientes y se enumeran las ventajas que proporcionan. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Hierro (Fe). Incrementa la resistencia mecánica Silicio (Si) Combinado con magnesio (Mg), tiene mayor

resistencia mecánica Cobre (Cu) Incrementa las propiedades mecánicas pero reduce la resistencia a la corrosión. Manganeso (Mn) Incrementa las propiedades mecánicas y reduce la calidad de embutición. Magnesio (Mg) Tiene alta resistencia tras el conformado en frío Cromo (Cr) Aumenta la resistencia mecánica cuando está combinado con otros elementos Cu, Mn, Mg. Titanio (Ti) Aumenta la resistencia mecánica Zinc (Zn) Reduce la resistencia a la corrosión

3.- Aleaciones de aluminio Aleaciones Al – Cu (2-8)% Automoción y estructuras ligeras Aleaciones Al – Mg Alta resistencia a tracción y alargamiento, baja densidad, productos para moldeo. Aleaciones Al – Si Con un 1.65% se utiliza para forja en automoción, para moldeo hasta el 12%, buena resistencia a la corrosión. Aleaciones Al - Si – Mg Resistente a corrosión y fácil trabajable Aleaciones Al – Zn, mayor resistencia a tracción

3.- Aleaciones de aluminio ♣ Las aleaciones normalmente usadas en construcción son de

la familia Al-Mg-Si definidas en la norma UNE 38.337. Las cuales proporcionan una buena soldabilidad, resistencia a corrosión, conformabilidad. Composición química % Nominal Tolerancias

Si

0,4 0.20-0.6

Fe

0.35

Cu

0,10

Mn

0,10

Mg

0.7 0,45-0,9

Cr

0,10

Ni

-

Zn

0,10

Ti

0,10

Otros Cada

total

0,05

0,15

Al mínimo

Resto

4.- El conformado ♣ Proceso mediante el cual transformamos el aluminio,

incrementando la dureza y resistencia.

EXTRUSIÓN + Es el sistema utilizado normalmente para la perfileria utilizada en construcción. +Con un pistón se presiona el material (460ºC-510ºC) a través de una matriz con el perfil deseado de acuerdo al que ha de tener la pieza extrusionada. Al final del proceso se separa la pieza extrusionada (el perfil) y se elimina el residuo de la cámara. Se obtienen perfiles, barras tubos, alambres..

4.- El conformado

4.- El conformado

Longitudes de 48 a 55 m que luego enfriados y estirados se cortan y se llevan a los hornos para los tratamientos térmicos

4.- El conformado

4.- El conformado

4.- El conformado ETAPAS EN LA EXTRUSION DE PERFILES: 

Calentamiento de la barra de aluminio o tocho.



Corte en caliente del tocho.



Colocación de la matriz en la máquina de extruir.



Colocación del tocho en la máquina de extruir.



Extrusión propiamente dicha.



Enfriamiento del perfil a la salida de la máquina.



Corte y transporte del material.

Control

de calidad dimensional y estado superficial

Colocación

en el homo de tratamiento térmico para adquirir la dureza requerida al perfil.

4.- El conformado

4.- El conformado ♣ LAMINACIÓN

Obtiene productos a partir de lingotes de colada, bien sea en frío o en caliente: ☼ Chapas >0.35 mm Bandas delgadas 0.20 mm ☼ Laminas de espesor 0.07-0.020 mm ☼ ♣

ESTIRADO

Se usa en el plegado de chapas, y se utiliza en la producción de grandes piezas de poca altura, las cuales se conforman con facilidad. (para pequeñas potencias, mecánicamente y para mayores, hidráulica o neumáticamente)

5.-Tratamientos térmicos de acabado y protección: ♣ EL aluminio afinidad con el oxigeno y se recubre con

una capa natural de óxido. Esto impide la corrosión en cierta medida por lo que se realizan tratamientos que den mayor dureza superficial, espesor, coloreado… Para que el aluminio consiga las características requeridas en cada caso hay que recurrir a unos procesos de acabado:

Anodizado http://www.youtube.com/watch?v=7ZXGMGb4imA http://www.youtube.com/watch?v=PoNd5cHUDjc END en materiales metalicos

Lacado

5.-Tratamientos térmicos de acabado y protección:

Anodizado Aluminio con un recubrimiento anódico obtenido por un procedimiento electrolítico de oxidación en el cual la superficie del aluminio es transformada en una capa, generalmente de óxido, que tiene propiedades protectoras, decorativas o funcionales. Cuando se aplica la corriente, se libera oxígeno del electrolito, dirigiéndose al ánodo, donde reacciona con la superficie del aluminio, formando una película de óxido de aluminio. Esta película de óxido se conoce como capa anódica. A medida que se forma el óxido, el electrolito tiende a


Anodizado El electrolito penetra en los poros, permitiendo el paso de corriente y la formación continua de una película de óxido porosa en la interfase del metal se conoce como capa barrera. La porosidad y espesor de la capa son factores importantes en la determinación de sus propiedades. Una vez completado el periodo de anonizado, la capa anódica se sella para cerrar poros y hacerla impermeable, resistente a las manchas y a la corrosión. Mediante agua caliente o vapor hidratándose el oxido de aluminio.


Anodizado Clases (en función de la atm)

Espesor medio mínimo µm

Empleo

AA 5

5

Interiores

AA 10

10

Interiores

AA 15

15

Exteriores agresivos

AA 20

20

Ambientes agresivos

AA 25

25

Muy agresivos

Def: A. natural (incoloro y traslucido), coloreado, coloreado integral (electrolíto orgánico), brillante (alta reflectancia), de protección (no aspecto), decorativo (aspecto).


LACADO El tratamiento superficial de lacado, consiste en proteger a los perfiles de aluminio con una capa de pintura depositada electrostáticamente. Espesores superiores a 60 micras El proceso industrial típico consiste en: a) Tratamiento previo: - Desengrasado del perfil en un baño con productos medianamente alcalinos. - Decapado con productos fuertemente alcalinos para conseguir una superficie uniforme del metal, seguido de un lavado, un neutralizado con ácido nítrico para neutralizar los restos de productos alcalinos y otro lavado con agua.


LACADO b) Lacado: - El material de cubrición o lacado está formado por resina de poliéster en la tonalidad deseada. - En el primer túnel se proyecta sobre los elementos a tratar una capa de resina de poliéster, poliuretano, acrílicos, epoxidicas, mediante pulverizado neumático. La resina eléctrica positiva mientras el perfil conectado a tierra con potencial negativo, todo ello para tener la diferencia de potencial adecuada. Se consigue de esta forma que el recubrimiento de la película de lacado sea total, debido a la atracción entre ambos materiales. - De este modo se puede controlar asimismo el espesor del lacado, en función de la magnitud de la polaridad creada.


LACADO En el segundo túnel se realiza la fusión entre la capa de lacado (resina de poliéster) y el aluminio. Para ello se someten las piezas a una corriente de aire cuya temperatura asciende a medida que se profundiza en el túnel, alcanzándose un máximo aproximado de 200°. La longitud del túnel es de 20 m.

6.-Aplicaciones ♣ Carpintería exterior e interior ♣ Estructuras nuevas y de refuerzo ♣ Muros cortina

Para la carpintería exterior se le exige: Una maniobralidad Durabilidad del conjunto Iluminación Resistencia al impacto, al viento Aislamiento: agua, aire, térmico y acústico

ENSAYOS DE VENTANAS 





RESISTENCIA AL VIENTO • DEFORMACIÓN ...PRESIÓN-FLECHA... FLECHA INFERIOR L/300 • CLASIFICACIÓN » CLASE V1 NORMAL » CLASE V2 MEJORADA » CLASE V3 REFORZADA » CLASE V4 EXCEPCIONAL PERMEABILIDAD AL AIRE • MEDICIÓN DE PERDIDA DE AIRE POR METRO CUADRADO • CLASIFICACIÓN » CLASE A1 NORMAL » CLASE A2 MEJORADA » CLASE A3 REFORZADA ESTANQUEIDAD AL AGUA • PERDIDA DE AGUA EN LA CARPINTERÍA (TIEMPO Y PRESIÓN) • CLASIFICACIÓN » CLASE E1 NORMAL » CLASE E2 MEJORADA » CLASE E3 REFORZADA » CLASE E4 EXCEPCIONAL

7.- Otros metales ♣

COBRE

 Abundancia

en forma de sulfuros de hierro.

Resistente

a la corrosión, alta conductividad eléctrica y calor, dúctil y maleable.  Adecuado

para instalaciones de fontanería, calefacción, motores… DENSIDAD

8.9 T/m3

ALTO

COEF. DILATACIÓN

18x10-6

ALTO

4500 Kp/cm2 1084ºC

MEDIO MEDIO

TRACCIÓN PUNTO FUSIÓN

7.- Otros metales Aleaciones:

Latón Cu-Zn aumenta la resistencia a tracción, alargamiento y dureza, accesorios de fontanería

• Es altamente resistente al ambiente salino, por lo cual se emplea para accesorios en la construcción de barcos.

• Existe una gran variedad de aleaciones de latón. Las más comunes contienen 30-45% de zinc, y se aplican en todo tipo de objetos domésticos: tornillos, tuercas, candados, ceniceros y candelabros.

7.- Otros metales Aleaciones:

Bronce Cu-Sn resistencia desgaste y mecánica  En la actualidad, las aleaciones de bronce se usan en la

fabricación de bujes, cojinetes y descansos, entre otras piezas de maquinaria pesada, y como resortes en aplicaciones eléctricas

Alpaca Cu-Ni-Zn resistente a la corrosión

7.- Otros metales ♣

ZINC

DENSIDAD

7.1 T/m3

ALTO

COEF. DILATACIÓN PUNTO FUSIÓN

25x10-6 420ºC

ALTO BAJO

Se emplea como protección contra corrosión en forma de delgada capa (galvanizado) o como ánodo de sacrificio. Se encuentra en la naturaleza como carbonatos o sulfuro. La galvanización se realiza mediante inmersión en baños de Zn calientes (450ºC), electro-deposición y pintado, posterior. Es un material quebradizo y se utiliza como protecciones.

Conclusiones 

Obtención del aluminio por el proceso Bayer.



Características del aluminio en comparación con el acero.



Procesos de endurecimiento de aluminio.



Procesos importantes: anodizado y lacado.



Proceso de galvanización.



Latón, alpaca,etc…

Bibliografía 

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

+ Coca, P., Rosique, J.: Ciencia de materiales, Ed. Pirámide, Madrid, 1990 + Askeland Donal, R: Ciencia e ingeniería de materiales. Ed. Thomson Paraninfo, s.a. 2001 + Valverde I., Barrios J.: Metales en la edificación, Ed. CSV, Granada. 2003

Fuentes en Internet 

WEBS DE INTERÉS

+ Aluminio. http://www.lenntech.com/espanol/tabla-peiodica/Al.htm + Reciclaje de productos de aluminio. http://www.aluminio.org/ + http://es.wikipedia.org/wiki/Aluminio + Tecnología automotriz. http://www.monografias.com/trabajos13/tramat/tramat.shtml + Instituto del aluminio. http://www.imedal.com.mx/


WEBS DE INTERÉS

+ Proceso de anodizado. http://www.laminex.es/laminex/anodizado.htm# + Diseño, fabricación y distribución de aluminio. http://www.alumafel.es/ + Asociación española de anodizadores. http://www.asesan.org/home.htm


WEBS DE INTERÉS

http://www.finishing.com Consultas técnicas - Asociación de Tratamiento de Superfices USA

http://www.eaa.net Página de la Asociación Europea del Aluminio

http://www.estal.org Página de la Asociación Europea de Tratamiento de Superficies de Aluminio

http://www.redmetal.com/esp/aluminiopropmecanicas.htm Propiedades Mecánicas del Aluminio

aluminio

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