METALURGIA II Aleaciones Aleaciones de Aluminio Aluminio
Julio-Diciembre 2013
ALUMINIO ALUMINIO Y ALEACIONES DE ALUMINIO ALUMINIO
Elemento
químico metálico
Símbolo Al Número atómico 13 Peso atómico 26.9815 Pertenece al grupo III A del sistema periódico.
ALUMINIO ALUMINIO Y ALEACIONES DE ALUMINIO ALUMINIO
Elemento
químico metálico
Símbolo Al Número atómico 13 Peso atómico 26.9815 Pertenece al grupo III A del sistema periódico.
Por sus propiedades físicas, químicas y metalúrgicas, el aluminio se ha convertido en el metal no ferroso de mayor uso.
La característica característica mas mas conocida del aluminio es su peso ligero y densidad (1/3 la del acero), tiene mejor proporción, resistenciapeso que la de los aceros.
1. Tien Tienee bue buena na male maleab abil ilid idad ad 2. Buena conf onformi rmidad 3. Al Alta ta resis esiste tenc ncia ia a la corr corros osió ión n 4. Gran Gran conduc conducti tivi vida dad d eléct eléctri rica ca y térm térmic icaa 5. No es toxico 6. No ma magnético 7. No produce duce chi chispas 8. Tiene Tiene una una resi resist sten enci ciaa tens tensil il de de 13 000 lb/in lb/in2 a 100 000 lb/in2 9. Se puede puede fundi fundirr median mediante te cua cualqu lquie ierr método método cono conoci cido. do.
El aluminio nunca se encuentra en forma libre en la naturaleza. Se halla ampliamente distribuido en las plantas y en casi todas las rocas, sobre todo en las ígneas, que contienen aluminio en forma de minerales de aluminio silicato. (alúmino silicato ) El rango de propiedades mecánicas y físicas pueden ser desarrolladas desde el metal puro a las más complejas aleaciones. Mas de 300 composiciones de aleaciones son comúnmente reconocidas, muchas variaciones han sido reconocidas internacionalmente.
El aluminio es seleccionado por su alta conductividad eléctrica la cual es cercanamente igual a la del cobre. La conductividad térmica del aluminio y aleaciones cerca del 50% a 60% que la del cobre. Es una ventaja en intercambiadores de calor, evaporadores, aplicaciones calentadas eléctricas, y aplicaciones automotrices.
Su descubrimiento se remonta a 1886 cuando 2 investigadores, Charles Hall y Paul Heroult realizan los primeros ensayos de electrólisis de la alúmina, experimentando diversos fundentes hasta llegar a la criolita. Paul Heroult
El procedimiento electrolítico -inventado por Heroultconsiste en electrolizar la alúmina, disuelta en la criolita fundida, con ánodo de carbono, para recolectar el aluminio fundido.
Posteriormente se le ocurre utilizar la alúmina en solución de un disolvente electroquímico más estable que la misma alúmina. Usó primero espato-flúor, fluoruro de magnesio y por último criolita. Todos estos experimentos los realizó en crisoles de arcilla sin ningún éxito, finalmente se le ocurrió usar crisoles de carbono.
PRODUCCION DE ALUMINIO La producción de aluminio primario se realiza en 3 pasos: Extracción de bauxita
•
Producción de alúmina
•
Proceso de electrólisis
•
EXTRACCIÓN DE BAUXITA El mineral Bauxita, es la materia prima principal para la elaboración de aluminio. Sus componentes son hidróxido de aluminio, silica, hierro y óxido de titanio. La extracción de este mineral es realizada por el método de mina abierta
Al2O3 • 2H2O
La clase de bauxita comercial debe de contener al menos 40% de óxido de aluminio Dos de tres toneladas de bauxita son requeridas para producir una tonelada de alúmina dependiendo de la clase de bauxita.
PRODUCCIÓN DE ALÚMINA La bauxita es refinada en alúmina usando el proceso Bayer. La bauxita se lava y se disuelve en sosa cáustica (hidróxido de sodio) a una presión y temperatura alta. El resultado es un licor que contiene una solución de aluminato de sodio y residuos de bauxita sin disolver que contienen hierro, silicio y titanio. Estos residuos se hunden gradualmente hasta el fondo del tanque y son removidos. Son comúnmente conocidos como
"barro rojo".
La solución clara de aluminato de sodio es bombeada a un tanque llamado precipitador. Las partículas se hunden hasta el fondo del tanque y son removidas y luego se pasan a un calcinador rotador o fluidizador a 1100 C para apartar el agua que está combinada. El resultado es un polvo blanco, alúmina pura. La sosa cáustica se regresa al principio del proceso y se vuelve a utilizar. °
La alúmina se disuelve mediante un baño electrolítico de criolita fundida (fluoruro alumínico sódico) en un recipiente de hierro revestido de carbón o grafito conocido como "crisol". Una corriente eléctrica se pasa por el electrolito a un bajo voltaje pero con una corriente muy alta generalmente 150,000 amps. La corriente eléctrica fluye entre el ánodo (positivo) de carbono hecho del coque de petróleo y brea, y un cátodo (negativo) formado por un recubrimiento de carbón grueso o grafito del crisol. El aluminio fundido es depositado en el fondo del crisol y se revuelve periódicamente, se lleva a un horno, de vez en cuando se mezcla a una aleación especificada, se limpia y generalmente se funde.
El aluminio se forma a cerca de 900 C pero una vez que se ha formado tiene un punto de fusión de solo 660 C. En algunas fundidoras este ahorro de calor es utilizado para fundir metal reciclado que luego es mezclado con el metal nuevo. °
°
El metal reciclado requiere solo 5% de la energía necesaria para producir el metal nuevo. Mezclar metal reciclado con un nuevo metal permite ahorrar energía considerablemente así como el uso eficiente del calor procesado.
Un fundidor de aluminio típico consiste de alrededor de 300 crisoles. Estos producirían como 125,000 toneladas de aluminio anualmente. Sin embargo, algunos de las fundidoras de la última generación producen entre 350mil y 400 mil toneladas.
TECNOLOGÍA DE FUNDICIÓN Existen principalmente dos tipos de tecnologías de fundición de aluminio: El Söderburg.
•
El precocido.
•
La principal diferencia entre estás dos fundiciones es el tipo de ánodo que utilizan.
Söderburg Utiliza un ánodo continuo que se pone en la celda en forma de pasta que se calcina en la misma celda.
La tecnología del precocido utiliza múltiples ánodos precocidos que están suspendidos en cada celda por medio de unas varillas. Los ánodos nuevos de cambian por los ánodos gastados o terminales que se reciclan en nuevos ánodos.
RECICLAJE DE ALUMINIO Reciclando un kilogramo de aluminio se pueden ahorrar 8 kilogramos de bauxita, 4 kilogramos de productos químicos y 14 kW/hr de electricidad.
ALEACIONES DE ALUMINIO Es conveniente dividir las aleaciones de aluminio en dos grandes categorías: Ø
FUNDIDAS
Ø
FORJADAS
Basada en el mecanismo primario de desarrollo
Muchas aleaciones responden al tratamiento térmico basado en la solubilidad de las fases. Templado Precipitación o envejecimiento Endurecido
SISTEMA DE DESIGNACIÓN DE ALUMINIO FORJADO Y ALEACIONES DE ALUMINIO 1xxx
No aleado (puro)
2xxx
Aleaciones en las cuales el cobre es el principal elemento de aleación, aunque otros elementos, notablemente magnesio pueden ser especificados.
3xxx
Aleaciones en las cuales el manganeso es principal elemento de aleación.
el
4xxx
Aleaciones en las cuales el silicio es el elemento de aleación.
principal
5xxx
Aleaciones en las cuales el magnesio es el elemento de aleación.
principal
6xxx
Aleaciones en las cuales el magnesio y el silicio son los principales elementos de aleación.
7xxx
Aleaciones en las cuales el zinc es el principal elemento de aleación, pero otros elementos tales como el cobre, magnesio, cromo, y zirconio pueden ser especificados.
8xxx
Aleaciones que incluyen titanio y litio.
9xxx
Reservado para usos futuros.
El primer dígito Indica el grupo de aleación:
El segundo dígito: Indica el cambio de la aleación original o límites de impureza. 0
- Aleación original
1 al 9 - Modificaciones de la aleación. Los dos últimos representan la pureza
Figure 13.2 (a) FeAl3 inclusions in annealed 1100 aluminum ( 350). (b) Mg2Si precipitates in annealed 5457 aluminum alloy ( 75). (From ASM Handbook, Vol. 7, (1972), ASM International, Materials Park, OH 44073.)
SISTEMA NUMERICO UNIFORMADO (UNS) Correlaciona muchos sistemas numéricos comúnmente usados por asociaciones, sociedades, y usuarios individuales, así como productores de aluminio y aleaciones. ASOCIACIÓN AMERICAN
INTERNACIONAL DEL ALUMINI0.
NATIONAL INSTITUTE (ANSI). Estandarizada bajo
ANSI H35.1. Comité Europeo para estandarización (CEN).
ALEACIONES DE ALUMINIO – COBRE (2XXX) Al – Cu 2014,2017 y la 2024, la mas vieja es la duraluminio (2017) (4% de Cu) (remaches en construcciones de avión).
La aleación 2018 (Ni 2%) se aplica en aleaciones que implican altas temperaturas (Cabeza de cilindros y pistones).
ALEACIONES DE ALUMINIO – MANGANESO (3XXX) manganeso La aleación 3003 tiene buena formabilidad, y gran resistencia a la corrosión y buena capacidad de sueldado. (tuberías, tanques para gasolina, utensilios y manejo de sustancias químicas).
ALEACIONES DE ALUMINIO – SILICIO (4XXX) La aleación 4032 (12.5% de Si tiene gran capacidad de forjado y bajo coeficiente de expansión térmica se utiliza en pistones forjados para automóvil) ALEACIONES DE ALUMINIO – MAGNESIO Y SILICIO (5XXX) 5052 (2.5% Mg) conductos de combustible y aceite de avión. 5083 (4.5% de Mg) aplicaciones marinas. 5056 (5.2% de Mg) rejillas para insectos. 214 (3.8% de Mg) manejo de equipo (leche) y alimentos. 218 (8% de Mg) manejo de equipo (leche) y alimentos. 220 (10% de Mg) alta proporción mecánica
ALEACIONES DE ALUMINIO – MAGNESIO (6XXX) Las forjadas incluyen 6053 6061 6063 excelente resistencia ala corrosión, se aplica en muebles, tuberías para aspiradora, pasamanos para puentes y aplicaciones arquitectónicas ALEACIONES DE ALUMINIO – ZINC (7XXX) Las aleaciones 7075 (5.5% Zn, 2.5% de Mg y 1.5 de Cu) 7079 (4.3% Zn, 3.3% de Mg y 0.6 de Cu) 7178 (6.8% Zn, 2.7% de Mg y 2.0 de Cu) Tiene las mas altas resistencias tensiles de las de Al mediante la adición de Cr y el tratamiento térmico se disminuye la susceptibilidad a la corrosión.
FORMAS MANUFACTURADAS Las formas manufacturadas de aluminio y aleaciones de aluminio pueden ser dividido en dos grupos:
Productos estandarizados (hojas, placas, papel, barras, alambres, pipas y formas estructurales)
Productos de ingeniería. (formas extruidas, forjados, impresos, colados, estampados, partes de polvo metalúrgico, (P/M)
PRODUCTOS DE INGENIERIA. El colado involucra el llenado de los moldes con aluminio fundido y son usados para productos con formas intrincadas, contornos y corazones
En estos procesos son controlados propiedades mecánicas y tolerancias en los productos. EXTRUSIONES. Forzar el material sólido a través de aperturas controladas. FORMADOS. Inducir deformación plástica mediante la aplicación de una fuerza mecánica, hidráulica en sistemas abierto y cerrado. IMPACTADOS. Utiliza un lubricante mediante la aplicación de una fuerza a través de un metal, el cual causa que el metal fluya alrededor de la forma. POLVO METALÚRGICO (P/M)
COMPOSITOS METAL-MATRIZ (MMCs) Consiste de un refuerzo no metálico incorporado en la matriz metálica. La combinación del peso ligero, resistencia a la corrosión y propiedades mecánicas importantes las cuales han hecho popular al aluminio y aleaciones son aun mas importantes de esta manera.
