el aluminio tema 5

ALEACION DEL ALUMINIO

El Aluminio, de símbolo Al, es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. Su número atómico es 13 y se encuentra en el grupo 13 de la tabla periódica.

Propiedades

El aluminio es un metal plateado muy ligero. Su masa atómica es 26,9815.Su punto de fusión de 660 ºC, Su punto de ebullición de 2.467 ºC y Posee una densidad relativa de 2,7.

Propiedades Físicas Y Químicas

Es un metal abundante en la corteza terrestre (7,5 % de su peso). Se extrae de un mineral llamado bauxita por electrolisis sucesivas. Tiene nueve isótopos. Es muy utilizado en la industria por sus propiedades mecánica. Es ligero y con un punto de fisión bajo. Buen conductor del calor y la electricidad. Es costoso de aislar pero barato para reciclar. Desde el punto de vista físico, el aluminio puro posee una resistencia muy baja a la tracción y una dureza escasa. En cambio, unido en aleación con otros elementos, el aluminio adquiere características mecánicas muy superiores. A estas aleaciones se las conoce con el nombre genérico de Duraluminio, y pueden ser centenares de aleaciones diferentes.

Propiedades resistentes a temperaturas elevadas

Al aumentar la temperatura, disminuyen la resistencia a la tracción, el límite elástico y la dureza, en tanto que, en general, aumenta el alargamiento de rotura y la estricción de rotura. El factor tiempo juega un papel esencial en la determinación de valores de resistencia para altas temperaturas. Esta influencia se exterioriza de dos maneras:

Cambios de estado

Bajo la influencia de temperaturas elevadas se pueden producir modificaciones permanentes en la estructura de los materiales que han experimentado endurecimiento por deformación en frío, estas traen consigo una disminución de la resistencia mecánica.

Procesos de fluencia

A temperaturas elevadas el material puede experimentar deformaciones lentas bajo la acción de cargas en reposo, aumentando la velocidad en el cambio de forma con el incremento de la temperatura y de la tensión. Al mismo tiempo pueden surgir tensiones por debajo de la resistencia a la tracción o del límite elástico 0,2%.

Características de resistencia a bajas temperaturas

El comportamiento de los metales a bajas temperaturas depende fundamentalmente de la estructura de su red cristalina. El aluminio con su red FCC ( ó CCC ) tiene la misma estructura que el cobre, el níquel o los aceros auténticos, por eso no se presentan nunca  en las aleaciones de aluminio a temperaturas bajas las complicaciones ( rápido descenso de la resiliencia, entre otras ) que tienen lugar en los metales BCC, sobretodo en los aceros ferríticos.

En las dos primeras figuras se representan la variación de la resistencia a la tracción, del límite 0,2% y del alargamiento de rotura del aluminio puro a bajas temperaturas

Las aleaciones de aluminio

A partir de aluminio y otros elementos. Generalmente cobre, zinc, manganeso, magnesio o silicio). Forman parte de las llamadas aleaciones ligeras, con una densidad mucho menor que los aceros, pero no tan resistentes a la corrosión como el aluminio puro, que forma en su superficie una capa de óxido de aluminio (alúmina). Las aleaciones de aluminio tienen como principal objetivo mejorar la dureza y resistencia del aluminio, que es en estado puro un metal muy blando

Aleaciones en aluminio para fundición en arena:

La mayor parte de las aleaciones están basadas en sistemas de aluminio-cobre o aluminio-silicio, con adiciones para mejorar las características de fundición o de servicio. Entre las aleaciones aluminio-cobre, la que contiene 8% de cobre ha sido usada por mucho tiempo como la aleación para fines generales, aunque las adiciones de silicio y hierro, mejoran las características de la fundición por que la hacen menos quebradiza en caliente; la adición de zinc, mejora su maquinabilidad.

Las aleaciones de aluminio- silicio son de gran aplicación por sus excelentes cualidades para la fundición y su resistencia a la corrosión; no son quebradizas en caliente y es fácil obtener con ellas fundiciones sólidas en secciones gruesas o delgadas, la más comúnmente utilizada es la que contiene 5% de silicio, se solidifica normalmente con una gruesa estructura hipereutéctica que se modifica antes de fundirse por la adición de una pequeña cantidad de sodio para darle una estructura fina eutéctica de mayor resistencia mecánica y tenacidad, el contenido de hierro debe ser bajo para evitar la fragilidad.

Las aleaciones de aluminio-magnesio son superiores a casi todas las otras aleaciones de fundición de aluminio en cuanto a resistencia, corrosión y maquinabilidad; además de excelentes condiciones de resistencia mecánica y ductilidad.

Aleaciones para fundición en moldes permanentes.

El empleo mayor se encuentra en los émbolos para motores de combustión; es conveniente que sean ligeros, de baja dilatación térmica y de buenas propiedades a temperaturas elevadas.

Aleaciones para fundición a presión. Deben poseer una fluidez considerable y no deben ser quebradizas en caliente, debe conservarse baja la absorción de hierro.

Tratamiento térmico.

El recocido intermedio para aliviar los esfuerzos producidos por el trabajo en frío, se hace a una temperatura de 343ºC a 400º c. Las aleaciones tratables térmicamente se trabajan mejor en frío cuando se encuentran en el estado de templadas por inmersión después del tratamiento térmico (400 a 427ºC calentamiento- 260ºC enfriamiento).

Las aleaciones tratables térmicamente deben sufrir un tratamiento térmico: uno a temperatura elevada y otro a temperatura baja, la cual puede darse espontáneamente a la temperatura ambiente en algunas aleaciones y se conoce como envejecimiento natural, pero en otras aleaciones tiene que efectuarse a una temperatura un tanto elevada; envejecimiento artificial.

Maquinado.

El aluminio puro y las aleaciones de aluminio-manganeso son duros para maquinar, a no ser que se empleen herramientas especiales con mayor ángulo de salida que el acostumbrado para el acero. Las herramientas duras de carburo cementado son esenciales para el aluminio-silicio. Las aleaciones que contienen cobre y las forjadas tratadas térmicamente tienen buena maquinabilidad.

Remachado.

Se usan remaches de composición semejante a la del metal base, los remaches grandes pueden colocarse a veces en caliente a la temperatura de su tratamiento de solución, dependiendo el que se produzca un temple efectivo del contacto con las herramientas y con el metal circundante.

Soldadura.

Se utilizan los métodos de fusión o resistencia; la mayor parte de las aleaciones de colada pueden soldarse, pero se necesita experiencia para vencer el peligro de ocasionar las deformaciones y grietas que resultan de la contracción térmica. La soldadura debe preceder el tratamiento térmico; la varilla o electrodo usado para soldar, por lo general, debe ser de la misma composición que la aleación.

Resistencia a la corrosión.

El aluminio y su mayoría de aleaciones resisten perfectamente a la corrosión atmosférica ordinaria y pueden usarse sin recubrimiento protector. El metal puro es más resistente al ataque; un recubrimiento podría ser el tratamiento de anodización.

A pesar de que el aluminio puro es un material poco usado se da la paradoja de que  las  aleaciones  de  este  materialson ampliamente  usadas  en  una grandísima variedad de aplicaciones tanto a nivel industrial como a otros niveles. Por ello pasamos a ver su clasificación, estados y designaciones más comunes:

Clasificación por su proceso

·         Aluminios forjados

·         Aluminios fundidos

Clasificación por su estado

F: Estado bruto. Es el material tal como sale del proceso de fabricación.

O: Recocido. Se aplica a materiales ya sea de forja como de fundición que han sufrido un recocido completo.

O1: Recocido  a  elevada  temperatura  y  enfriamiento  lento.

O2: Sometido  a  tratamiento  termo mecánico.

O3: Homogeneizado. Esta designación se aplica a los alambrones y a las bandas de colada continua, que son sometidos a un tratamiento de difisión a alta temperatura.

W: Solución tratada térmicamente. Se aplica a materiales que después de recibir un tratamiento térmico quedan con una estructura inestable y sufren envejecimiento natural.

H: Estado de Acritud. 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.  Acritud  y  estabilizado.

H4. Acritud y lacado o pintado. Son aleaciones endurecidas en frio y que pueden sufrir un cierto recocido en el tratamiento de curado de la capa de pintura o laca dada.      7En ésta clasificación se usa un segundo dígito (en ocasiones es necesario un tercer dígito) que indica el grado de endurecimiento por deformación.

T: Denomina a materiales que has sido endurecidos por tratamiento térmico con o sin endurecimiento por deformación posterior. Las designaciones de W y T solo se aplican a aleaciones de aluminio ya de forja o de fundición que sea termo tratable.  

T1:enfriado   desde   un   proceso   de   fabricación   realizado   a   una   elevada temperatura    y    envejecido    de    forma    natural.

T2: Enfriado  desde  un  proceso  de  fabricación  realizado  a  una  alta  temperatura, trabajado   en   frío   y   envejecido   de   forma   natural.

T3: Solución  tratada  térmicamente,  trabajada  en  frío  y  envejecida  a  Tamb  hasta alcanzar una condición estable.

T4: Solución  tratada  térmicamente  y  envejecida  a  Tamb  hasta  alcanzar  una condición estable. Es un tratamiento similar a T3 pero sin el trabajo en frío.

T5: Enfriado   desde   un   proceso   de   fabricación   a   alta   temperatura   y   envejecida 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 (moldeo o extrusión) no son endurecidos en frío sino que sufren un envejecimiento artificial.

T7: Solución   tratada   térmicamente   y   sobreenvejecida   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.

Existen variantes del estado T, a estas variantes se les añaden a la T dos dígitos. Estos  dos  dígitos  son  específicos  para  cada  producto  y  se  usan  para  estado  de alivio de tensiones en productos fabricados mediante el proceso de forja.

Series de aluminios según sus aleantes

Las aleaciones de aluminio (tanto las forjadas como las moldeadas) se clasifican en  función  del  elemento  aleante  usado  (al  menos  el  que  esté  en  mayor proporción).  Los  elementos  aleantes  más  usados  son: 

Aportaciones de los elementos aleantes 

Los principales elementos aleantes del aluminio son los siguientes :

·         Cromo (Cr) Aumenta la resistencia mecánica cuando está combinado con otros elementos Cu, Mn, Mg.

·         Cobre (Cu) Incrementa las propiedades mecánicas pero reduce la resistencia a la corrosión.

·         Hierro (Fe). Aumenta la resistencia mecánica.

·         Magnesio (Mg) Tiene una gran resistencia tras el conformado en frío.

·         Manganeso (Mn) Incrementa las propiedades mecánicas y reduce la calidad de embutición.

·         Silicio (Si) Combinado con magnesio (Mg), tiene mayor resistencia mecánica.

·         Titanio (Ti) Aumenta la resistencia mecánica.

·         Zinc (Zn) Aumenta la resistencia a la corrosión.

·         Escandio (Sc) Mejora la soldadura.

Las aleaciones de aluminio forjado se dividen en dos grandes grupos, las que no reciben tratamiento térmico y las que reciben tratamiento térmico.

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 0.1% de cobre para aumentar su resistencia. Tienen una resistencia aproximada de 90 MPa. Se utilizan principalmente para trabajos de laminados en frío.

·         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 16 ksi (110MPa) en condiciones de recocido. Se utilizan en componentes que exijan buena maquinabilidad.

·         Aleaciones 4xxx. En  esta  serie  el  principal  elemento  aleante  es  el  Sí  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.  

·         Aleaciones 5xxx. En este grupo de aleaciones es el magnesio es el principal componente aleante su aporte varía del 2 al 5%. Esta aleación se utiliza cuando para conseguir reforzamiento en solución sólida. Tiene una resistencia aproximada de 28 ksi (193MPa) en condiciones de recocido.

Aleaciones de aluminio forjado con tratamiento térmico 

Algunas aleaciones pueden reforzarse mediante tratamiento térmico en un proceso de precipitación. El nivel de tratamiento térmico de una aleación se representa mediante la letra T seguida de un número por ejemplo T5. 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 64ksi (442 MPa) y se utiliza en la fabricación de estructuras de aviones, concretamente en la parte inferior y en el fuselaje donde se precisa de una gran tenacidad a fractura además de buena resistencia.

·         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 42 ksi (290MPa) y es utilizada para perfiles y estructuras en general.

·         Aleaciones 7xxx. Los principales aleantes de este grupo de aleaciones son zinc, magnesio y cobre. Con un tratamiento T6 tiene una resistencia a la tracción aproximada de 73ksi (504MPa) y se utiliza para fabricar estructuras de aviones, concretamente la parte superior de las alas en las que se precisa una gran resistencia.

¿Qué le sucede al aluminio cuando entra al medio ambiente?

·         El aluminio no puede ser destruido en el ambiente, solamente puede cambiar de forma.

·         En el aire, el aluminio se adhiere a partículas pequeñas que pueden permanecer suspendidas muchos días.

·         Una pequeña cantidad de aluminio puede disolverse en lagos, arroyos y ríos bajo la mayoría de las condiciones ambientales.

·         Puede ser incorporado desde el suelo por algunas plantas.

·         El aluminio no se acumula de manera significativa en plantas o animales.

Para qué sirve reciclar aluminio

Cada español consume una media de 90 latas al año y genera unos 13 kilos de residuos de este tipo de envases que, si llegan a la naturaleza,, pueden permanecer en estado sólido durante 500 años.

El impacto ambiental y económico de utilizar aluminio primario se puede reducir en gran medida con el reciclado. El papel de los consumidores es esencial: si el residuo recuperado está contaminado con otros materiales se dificulta el proceso de selección y preparación para su reciclado.

El reciclaje del aluminio es muy agradecido. Se aprovecha el 100% del material y, gracias a ello, se ahorra el 95% de la energía, si se compara con la producción a partir del mineral (bauxita). La producción con aluminio reciclado genera sólo un 15% de las emisiones de gases de efecto invernadero, causantes del cambio climático.

El aluminio reciclado no disminuye de calidad: el producto que se obtiene tiene las mismas propiedades que otro elaborado a partir del mineral original.El aluminio recuperado, una vez seleccionado y prensado, se funde y, con él, se fabrican nuevos lingotes de aluminio que se utilizan para cualquier aplicación.

Ventajas y aplicaciones del aluminio

El mineral original del aluminio, la bauxita, es el tercer elemento más común de la corteza terrestre: se calcula que hay reservas para dos siglos. Los consumidores pueden encontrar este material en multitud de aplicaciones de su vida cotidiana, gracias a sus características únicas. Es muy ligero y proporciona una protección óptima: ofrece una barrera metálica impermeable a la luz, a los rayos ultra-violetas, a la corrosión, al vapor de agua, a los aceites y grasas, al oxígeno y a los microorganismos.

El sector de la alimentación lo utiliza porque es higiénico, no tóxico y no afecta al sabor de los productos. Por ello, es ya indispensable en la fabricación de latas, como papel de envolver, en la capa intermedia de los envases.

En el campo de la medicina, se emplea en equipos médicos y en algunos medicamentos, como los tratamientos de úlceras gástricas. También se utiliza para el tratamiento del agua: además de no ser tóxico, filtra las bacterias y las partículas no deseadas y, por ello, mantiene limpios los abastecimientos de agua.

En la industria del transporte, el aluminio se utiliza en especial en la construcción de aviones. En 1920 se fabricó el primer prototipo y desde entonces es un elemento indispensable en el sector aeronáutico, gracias a su resistencia, ligereza y maleabilidad.

El ferrocarril también se ha beneficiado de este material: un tren de aluminio aporta un ahorro de energía del 87% a lo largo de los 40 años de vida media, en comparación con otros trenes fabricados con elementos más pesados. Su resistencia a la corrosión y al agua del mar lo hace indispensable en cascos de barco y mecanismos acuáticos.

La industria del automóvil incluye cada vez más este elemento en sus modelos. Algunos coches deportivos, berlinas de alta gama y utilitarios ya se fabrican sólo con aluminio. Su ligereza permite reducir el peso del vehículo en un 30%: la reducción en combustible y en emisiones contaminantes es considerable.

El sector de la construcción ha aumentado el uso del aluminio en los últimos 50 años de forma importante. Este elemento se puede ver en estructuras de ventanas y puertas, y en cubiertas para grandes superficies y estadios.

Las comunicaciones y el sector energético han sustituido al cobre por el aluminio de forma progresiva desde la década de los cincuenta: es más eficiente y más económico para transportar electricidad. También se utiliza en reactores nucleares a baja temperatura porque absorbe pocos neutrones.

La industria química no está al margen de esta tendencia: una misma proporción de aluminio pesa un tercio menos que el acero. Por ello, es un material ideal para la fabricación de tubos, recipientes y aparatos muy diversos.

Breve historia del aluminio

La utilización industrial del aluminio se remonta al siglo XIX. En 1825, el físico y químico danés Hans Christian Oersted conseguía separar una pequeña cantidad de aluminio impuro. Pero no fue hasta 1854 cuando el químico francés Henri-EtienneSainte-Claire Deville lograba un proceso para obtener aluminio en cantidades más grandes y establecía una planta experimental a gran escala. En esa época, el aluminio se consideraba un metal precioso.

El primer aluminio comercial se logró en 1888. Su principal impulsor, Charles Martin Hall, recibió la idea de un profesor suyo de la Universidad de Ohio. El docente, Frank Jewett, aseguró a sus alumnos que la persona que consiguiera fabricar aluminio y venderlo a un precio económico se haría rica. La empresa creció hasta convertirse en Alcoa, en la actualidad una de las mayores productoras del mundo de este material.