DIAGRAMA DE FASES DE LAS ALEACIONES DEL ALUMINIO
Bayron Johan Castro Wilches
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%$Uni&ersidad A'raria de Colo()ia In'* (ecatr+nica %#$"
DIAGRAMA DE FASES DE LAS ALEACIONES DEL ALUMINIO
Bayron Johan Castro Wilches Cod !"#!$
%$Uni&ersidad A'raria de Colo()ia In'* (ecatr+nica %#$"
Introd,cci+n Los productos siderúrgicos derivados del acero y del hierro son, con mucha diferencia, los más utilizados de los metales conocidos, siendo su producción mundial superior en veinte veces a la de los demás metales. Podemos destacar, que esta supremacía se debe, además de a su precio de coste relativamente económico, a sus ecelentes propiedades mecánicas que, sobre todo las de los aceros, pueden variarse para amoldarlas a la conveniencia del usuario para traba!arlos más cómodamente, dándose despu"s el punto deseado de dureza, resistencia y tenacidad. #ienen, sin embargo, los productos siderúrgicos el grave defecto de que son muy sensibles a la oidación y a la corrosión atmosf"rica, ya que el hierro es el metal industrial que más fácilmente se deteriora en el aire. $unque tambi"n es cierto, que se fabrican los aceros denominados inoidables, en los que se han corregido estos defectos, aunque tienen estos aceros su inconveniente en su elevado precio. Los metales industriales no f"rreos y sus aleaciones son, en general, resistentes a la oidación y corrosión atmosf"rica. Pero no es esta la única buena cualidad, que los hace recomendables para muchas aplicaciones, sino tambi"n, la facilidad con la que se moldean y mecanizan% la elevada resistencia mecánica en relación a su peso de algunas &e denominan aleaciones ligeras a aquellas aleaciones que tienen como elemento base o principal el aluminio. 'especto a los metales de adición, los más empleados son el cobre, silicio, cinc, níquel, hierro, titanio, cromo y cobalto. (stos materiales pueden )gurar en las aleaciones !untos o aislados. (n general, la proporción total en que forman parte de las aleaciones ligeras, no pasa del *+. La característica principal de las aleaciones ligeras, es su ba!o peso especí)co, que en algunas de ellas llega a ser hasta de *- del peso especí)co del acero. / aún resulta más interesante la relación de resistencia mecánica a peso especí)co, que algunos tipos de aleaciones ligeras es la más alta entre todos los metales y aleaciones conocidos. (sto las hace indispensables para determinadas aplicaciones, como, por e!emplo, para las construcciones aeronáuticas en las que interesan materiales muy ligeros con una resistencia mecánica mínima.
OBJE-I.OS
0onocer las características del aluminio 0omprender las me!oras que sufre sufre este metal metal ligero cuando es combinado con otros metales Anali/ar y co(0render los dia'ra(as de 1ase 2,e tienen las aleaciones del al,(inio Conocer los )ene3cios 2,e tienen las aleaciones de al,(inio con res0ecto a los aceros
RESUMEN
&e denominan aleaciones ligeras a aquellas aleaciones que tienen como elemento base o principal el aluminio. 'especto a los metales de adición, los más empleados son el cobre, silicio, cinc, níquel, hierro, titanio, cromo y cobalto. (stos materiales pueden )gurar en las aleaciones !untas o aisladas. (n general, la proporción proporción total en que forman parte de las aleaciones ligeras, no pasa del *+. La característica principal de las aleaciones ligeras, es su ba!o peso especí)co, que en algunas de ellas llega a ser hasta de *- del peso especí)co del acero. / aún resulta más interesante la relación de resistencia mecánica a peso especí)co, que algunos tipos de aleaciones ligeras es la más alta entre todos los metales y aleaciones conocidos. (sto las hace indispensables para determinadas aplicaciones, como, por e!emplo, para las construcciones aeronáuticas en las que interesan materiales muy ligeros con una resistencia mecánica mínima.
$* Al,(i Al,(inio nio
(l aluminio es un metal ligero con una densidad de 1.23 g-cm , y por ello, aunque las aleaciones de aluminio tienen características mecánicas relativamente ba!as comparadas con las del acero, su relación resistencia4peso es ecelente. (s precisamente debido a esto que el aluminio se utiliza cuando el peso es un factor importante, como ocurre en las aplicaciones aeronáuticas y de automoción. (l aluminio tambi"n responde fácilmente a los diferentes mecanismos de endurecimiento, donde se observa que el mecanismo más notable es el de endurecimiento por precipitación, donde se consigue una dureza hasta 3 veces superior a la del aluminio puro. Por otra parte, el aluminio no suele presentar un límite de resistencia resistencia a la fatiga bien de)nido, de modo que la fractura puede suceder incluso a niveles muy ba!os. 5ebido a su ba!o punto de fusión, el aluminio no se comporta bien a temperaturas elevadas. 6inalmente, las aleaciones de aluminio tienen escasa dureza, lo que origina poca resistencia al desgaste abrasivo en ocasiones. Al,(inio (l aluminio es uno de los principales componentes de la corteza terrestre terrestre conocida, de la que forma parte en una proporción del 7,*, superior a la del hierro, que se supone es de un +, y solamente superada entre los metales por el silicio 819,+:. (l aluminio a luminio no se encuentra puro en la naturaleza, sino formando parte de los minerales, de los cuales los más importantes son las bauitas, que están formadas por un 9149+ de alúmina 8$l1;:, hasta un 17 de óido de hierro 86e1;:, 86e1;:, *143 de agua de hidratación 8<1;: y hasta un 7 de sílice 8&i;1:.
. O)tenci+n del al,(inio La obtención del aluminio se realiza en dos fases= *. &eparación &eparación de la alúmina alúmina 8$l1;: 8$l1;: de de las bauitas bauitas por por el procedimiento procedimiento >ayer, que comprende las siguientes operaciones=
&e calientan las bauitas para deshidratarlas, una vez molidas% se atacan a continuación con le!ía de sosa en caliente y a presión para formar aluminato sódico 8?a1;.$l1;:, que se separa del resto de los componentes de la bauita% despu"s, ba!o la in@uencia de una pequeAa cantidad de alúmina que inicia la reacción, se hidroliza el aluminato de sodio, quedando alúmina hidratada e hidróido hidróido de sodio% y por )n, se calcina la alúmina hidratada a *.133B0, con lo que queda preparada para la fase siguiente. 1. 'educción educción de la alúmina alúmina disuelta disuelta en un baAo de criolita criolita 86na, 86na, 6$C:, y con cierta cantidad de fundente, por electrolisis con electrodos de carbón. Para obtener una tonelada de aluminio son necesarias D #m. de bauita, 73 Egs. de criolita, 933 Egs. de electrodos de carbón y 11.333EF4hora. La metalurgia de aluminio es, por tanto, esencialmente electrolítica. electrolítica. 4ro0iedades 15sicas del al,(inio*
(l aluminio es un metal blanco brillante, que pulido seme!a a la plata. 0ristaliza en red cúbica centrada en las caras 8600:. &u peso especí)co es igual a 1,9GG, es decir, casi *- del hierro 82,72:. (l único metal industrial más ligero que el aluminio es el magnesio, de peso especí)co *,2D. &u conductividad el"ctrica es un 93 de la del cobre y ,+ veces mayor que la del hierro. hierro. &u punto de fusión es 993B0 y el de ebullición 1.D+3B0. (ste punto de fusión relativamente relativamente ba!o, unido a su punto de ebullición bastante alto facilita su fusión y moldeo.
4ro0iedades del al,(inio*
La propiedad química más destacada del aluminio es su gran a)nidad con el oígeno, por lo que se emplea entre otras cosas, para la desoidación de los baAos de acero, para la soldadura aluminio4t"rmica 8$l H 6e1;:, para la fabricación de eplosivos, etc... $ pesar de esto, y aunque parezca un contrasentido, el aluminio es completamente inalterable en el aire, pues se recubre recubre de una delgada capa de óido, de algunas cent"simas de micra, que protege el resto de la masa de la oidación. 5ebido a esta película protectora, resiste tambi"n a la acción del vapor de agua, el ataque nítrico concentrado y muchos otros compuestos químicos. (n cambio, es atacado por el ácido sulfúrico, el clorhídrico, el nítrico diluido y las soluciones s oluciones salinas .D. Propiedades
mecánicas del aluminio. Las propiedades mecánicas del aluminio son más interesantes son su d"bil resistencia mecánica, y su gran ductilidad y maleabilidad, que permite for!arlo, tre)larlo en hilos delgadísimos y laminarlo en láminas o panes tan )nos como los del oro, hasta de un espesor de 3,333D mm 83,D micras:. $ la temperatura de +33B0 se vuelve frágil y se puede pulverizar fácilmente.
A0licaciones del al,(inio* (l aluminio tiene multitud de aplicaciones= su ba!o peso especí)co lo hace útil para la fabricación de aleaciones ligeras, etensamente empleadas en construcciones aeronáuticas y en general, cada vez más en los vehículos de transporte 8automotores, #$LI;, automóviles, etc.,...:. &u elevada conductividad el"ctrica lo hace útil para la fabricación de conductores el"ctricos de aluminio t"cnicamente puro o en forma de cables armados con acero galvanizado. galvanizado. &u elevada conductividad conductividad calorí)ca e inalterabilidad lo hacen útil para la fabricación de utensilios de cocina y, en general, para aparatos de intercambio de calor. &u maleabilidad lo hace útil para la fabricación de papel de aluminio, en lo que se emplea actualmente un *3 de su producción total. &u resistencia a la corrosión lo hace útil para fabricación de depósitos para ácido ac"tico, cerveza, etc.,... #ambi"n #ambi"n se emplea en forma de chapas para cubiertas de edi)cios. / reducido a polvo para la fabricación de purpurinas y pinturas resistentes a la corrosión atmosf"rica. &us propiedades reductoras lo hacen útil para la desoidación del hierro y de otros metales, y para las soldaduras aluminio4t"rmicas.
ALEACIONES DEL ALUMINIO
Los principales metales empleados para su aleación con aluminio son los siguientes= 0obre 80u:, silicio 8&i:, cinc 8Jn:, magnesio 8>g:, y manganeso 8>n:. / los que pudi"ramos considerar como secundarios, son los siguientes= ?íquel 8?i:, titanio 8#i:, hierro 86e:, cromo 80r: y cobalto 80o:. &ólo en casos especiales se adicionan= Plomo 8Pb:, cadmio 80d:, antimonio 8&b: y bismuto 8Ki:.
La in6,encia de los ele(entos de aleaci+n en e n el al,(inio son los si',ientes
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Co)re= $umenta de manera notable la resistencia a la tracción y la dureza, tanto en condiciones de etrusión como tratado t"rmicamente.
Las aleaciones que contienen de D a 9 0u tienen una respuesta más efectiva al tratamiento t"rmico. Por lo general, al cobre reduce la resistencia a la corrosión y, en ambientes muy especí)cos en ciertos tipos de aleaciones, induce a la corrosión ba!o tensión. Las adiciones de cobre reducen la resistencia al agrietamiento en caliente y disminuye la colabilidad en piezas fundidas. •
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7ierro= (s altamente soluble en estado líquido pero virtualmente insoluble 83,3D 6e: a temperatura ambiente. Por ello aparece como compuestos intermetálicos insolubles, siendo los más comunes $l6e, $l96e>n y $l6e&i. >e!ora la resistencia al agrietamiento en caliente, las resistencia a la @uencia a altas temperaturas y disminuye la tendencia a la adhesión en fundición a presión. (l hierro re)na el grano en los lingotes de fundición. Mn incremento en el contenido de hierro aumenta la resistencia mecánica pero disminuye notablemente la ductilidad, por la presencia de las segundas fases. (n presencia de altos contenidos de hierro, dichas fases afectan adversamente la colabilidad y las características de alimentación de las piezas fundidas. Nunto con el manganeso y el cromo, el hierro ayuda a formación de fases que pueden retirarse por escori)cación de la colada. Ma'nesio= >e!ora notablemente la resistencia y la dureza en las aleaciones $l4&i tratadas t"rmicamente normales o en aquellas más comple!as que tienen elementos como el 0u, ?i y otros elementos. La fase endurecible responsable de la me!ora de la dureza es el >g1&i y ehibe una alta solubilidad hasta un máimo de 3,2 >g. Por encima de esta concentración no ocurre endurecimiento posterior, por efecto del ablandamiento de la matriz de aluminio. Las composiciones recomendadas para aluminios de alta calidad 8OPremium: varían en el rango de 3,D3 a 3,23. Las aleaciones binarias $l4>g se utilizan ampliamente cuando se requiera un acabado super)cial brillante, buena resistencia a la corrosión y una ecelente combinación entre resistencia y ductilidad. Las composiciones entre D a*3 >g, así como aquellas que contienen más de 2 >g son tratables t"rmicamente, cuya desventa!a principal es la inestabilidad en las características de enve!ecimiento a temperatura ambiente. Las $leaciones $l4D0u4*>g se caracterizan por precipitar el compuesto $l10u>g, responsable del endurecimiento por precipitación de dichas aleaciones. Man'aneso= Cncrementa la resistencia mecánica sea por solución sólida o por )nos precipitados intermetálicos. ?o altera la resistencia a la corrosión. &e usa en la fundición para corregir la forma acicular de los precipitados aciculares ricos en hierro y disminuir su efecto fragilizante, aunque promueve una estructura )brosa en los lingotes. (n forma de precipitados )nos previene el crecimiento del grano en la recristalización. &e encuentra que el manganeso incrementa la sensibilidad al agrietamiento de las aleaciones tratables t"rmicamente.
n es el principal aleante en las aleaciones del tipo . 0on grandes deformaciones plástica, estos materiales ehiben una aceptable imbatibilidad. (n presencia de 6e, 0r o ?i, debe cuidarse que no sobrepasen los límites de composición para evitar la formación de cristales primarios intermetálicos. •
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N52,el= &e emplea con!untamente con el cobre para me!orar las propiedades a altas temperaturas. #ambi"n #ambi"n reduce el coe)ciente de epansión t"rmica. &ilicio= (l efecto más notable del silicio en el aluminio es me!orar las características del colado, me!orando la @uidez, la resistencia al agrietamiento en caliente y las características de la alimentación de las piezas fundidas. Las aleaciones comerciales $l4&i varían desde composiciones hipoeut"cticas hi poeut"cticas hasta cerca del 1+ &i. Para procesos de colado con velocidades lentas de solidi)cación se pre)eren los rangos de + a 2 &i, para moldes permanentes se recomienda 2 a G &i y para fundición a presión, que inducen altas velocidades de enfriamiento, 7 a *1 &i. &e recomienda mayores cantidades de eut"ctico para propósitos de alimentación de la pieza a medida que aumenta la velocidad de enfriamiento. Las adiciones de silicio disminuyen la densidad y el coe)ciente de epansión t"rmica. Esta8o = >e!ora las características antifricción y la maquinabilidad. 5ebido a esto, se utiliza en aleaciones destinadas a co!inetes. (l estaAo puede in@uenciar la respuesta al endurecimiento de ciertas aleaciones de aluminio.D -itanio= 'e)na la estructura del grano del aluminio, usualmente adicionado como boruro de titanio, #iK1, preferiblemente en concentraciones mayores que la estequiometria. 'educe la tenden cia al agrietamiento. 9inc= ?o se reportan bene)cios por la adición del zinc al aluminio. &in embargo, en aleaciones que contienen 0u y-o >g, me!ora la respuesta al endurecimiento por tratamiento t"rmico o natural.
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$: ALUMI ALUMINIO NIO ; COBRE COBRE
(n la )gura anterior se muestra el diagrama de fases $l40u hasta un +3 de 0u, que es muy superior al porcenta!e máimo empleado en estas aleaciones, que en general no superan al *+, pues a partir de esta concentración se forman compuestos intermetálicos que hacen frágil la aleación. (n este diagrama están presentes la fase que es una solución sólida de cobre en aluminio que cristaliza en la red cúbica centrada en las caras. La eut"ctica está formada por cristales duros de aluminio de cobre 8$l10M: incrustados en la matriz de cristales. La temperatura eut"ctica es +D2B0, que corresponde a una concentración del de 0u. La solubilidad del cobre en el aluminio varía del 3,D+ a 33B0, hasta +,2 a +D2B0, lo que se utiliza para el temple de precipitación a que puede ser sometida estas aleaciones. (l cobre endurece mucho el aluminio, por lo que estas aleaciones poseen propiedades mecánicas ecepcionales, pero mantienen la buena maquinabilidad y ligereza que posee el aluminio. (n general, estas aleaciones, se caracterizan por una buena resistencia al calor y una menor resistencia a los agentes atmosf"ricos que las aleaciones sin cobre. (stas aleaciones no pueden ser soldadas más que por t"cnicas particulares como por e!emplo la soldadura por haz de electrones. 0omúnmente son denominadas 0obral.
%: ALUMI ALUMINIO NIO < CILI CILICIO CIO
(stas aleaciones siguen en importancia a las del aluminio4cobre. (l porcenta!e de silicio suele variar del + al 13. (n la )gura anterior se ha representado el diagrama de fases $l4&i, que es muy sencillo, pues no forma más que una solución sólida de silicio en aluminio aluminio y una solución solución sólida de aluminio en en silicio, aunque algunos autores autores consideran la fase como silicio elemental. elemental. / en este caso la eut"ctica eut"ctica estaría formada formada por H &i. ?o hay más más que un punto eut"ctico que corresponde a la proporción de **,9 de &i y cuya temperatura es +22B0. (l silicio endurece al aluminio y, sobre todo, aumenta su @uidez en la colada y su resistencia a la corrosión. Las aleaciones $l4&i son muy dúctiles y resistentes al choque% tienen un ba!o coe)ciente de dilatación y una elevada conductividad calorí)ca y el"ctrica, pero son difíciles de mecanizar por la naturaleza abrasiva del silicio. &u peso especí)co es alrededor del 1,2. Las propiedades mecánicas de aleaciones aluminio4silicio pueden me!orarse aAadiendo a la cuchara de colada de estas aleaciones cloruro sódico o una mezcla de @uoruro y cloruro sódico. (sta operación incorpora una pequeAa cantidad de sodio, inferior al 3,3* a la aleación pero su)ciente para variar la
concentración eut"ctica del **,9 al * y ba!ar la temperatura eut"ctica de +22B0 a +23B0. *3Pero sobre todo las aleaciones $l4&i modi )cadas con esta adición resultan con un grano etremadamente )no en lugar de las agu!as o láminas en que cristaliza el silicio en las aleaciones sin modi)car. (sta me!ora en la estructura micrográ)ca se traduce en una notable me!ora de las propiedades mecánicas de aleaciones modi)cadas, y concretamente, de su ductilidad, resistencia al choque, resistencia mecánica e incluso de su resistencia a la corrosión. La principal aplicación de las aleaciones aluminio4 silicio son la fundición de piezas difíciles, pero buenas cualidades de moldeo, y la fabricación de piezas para la marina, por su resistencia a la corrosión. Pero no se emplean para piezas ornamentales porque ennegrecen con el tiempo.
=: LUMINIO UMINIO ; 9INC 9INC
(n estas aleaciones )gura el cinc con un porcenta!e máimo del 13. (n la )gura posterior queda representado el diagrama $l4Jn, en el que están presentes la solución &ólida de cinc en aluminio, la solución sólida de aluminio en cinc, que algunos autores identi)can con cinc elemental, y la solución sólida intermedia. 0omo no se forman compuestos químicos no puede aplicarse a estas aleaciones el temple de precipitación. Las aleaciones de cinc son más
baratas que las de cobre a igualdad de propiedades mecánicas, pero menos resistentes a la corrosión y más pesadas. 0omúnmente son denominadas Jincal.
": ALUMI ALUMINIO NIO ; MANGANE MANGANESIO SIO
(stas aleaciones contienen magnesio en proporciones inferiores al *3 de >g. (n general, el magnesio va asociado a otros elementos como el cobre, silicio, cinc, etc.,..., es decir, formando aleaciones ternarias, en las que el magnesio )gura con proporciones del 3,* al *. Pongamos por e!emplo, la aleación conocida como &imagal. $luminio4 manganeso4silicio, Los elementos de adicción de esta familia son el >agnesio y el &ilicio. (stas aleaciones presentan características mecánicas medias. ;frecen una buena aptitud a la deformación en frío en estado reconocido, así como su buen comportamiento ante los agentes atmosf"ricos y su buena aptitud a la soldadura. (sta familia está formada por dos grupos de aleaciones. (l primero constituido por las aleaciones más cargadas en >g y &i con adicciones de >n, 0r, Jn, presenta las características más elevadas, destinadas a aplicaciones estructurales 8armazones, pilares, puentes, @echas de grúa, etc....:. (l segundo grupo constituido por aleaciones menos cargadas en >g y &i, ofrece una gran velocidad de etrusión asociada a características menos elevadas.
(stán especialmente destinadas a la decoración, amueblamiento y la edi)cación 8puertas, ventanas, etc....:
>: ALUMI ALUMINIO NIO ; MANGANE MANGANESO SO
(l manganeso se encuentra en la mayor parte de las aleaciones de aluminio ternarias y cuaternarias. &u solubilidad en el aluminio pasa del 3,+ a +33B0 a la temperatura eut"ctica, que es 9+7,+B0, como podemos observar en el diagrama de fases de $l4>n de La )gura siguiente. La concentración eut"ctica es de *,G+ de >n. $ la temperatura ambiente, y hasta un 1+ de >n la aleación está formada por $l H $l9 >n. (l manganeso aumenta la dureza, la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión de las aleaciones de aluminio.
BIBIOGRAFIA
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