21 Aluminio

Aluminio, metal del siglo XX

• La historia del aluminio comienza en el momento de la formación del planeta que habitamos. Es el metal más abundante de la corteza terrestre; nos rodea, pero no lo vemos, ya que es a diferencia de otros (muy pocos) metales no existe como tal en la naturaleza. Sin embargo ha estado continuamente cerca del hombre como constituyente fundamental del suelo, de las arcillas y de las rocas. Lo mismo cabe para el Si.

• Cerca del 8% de la corteza terrestre es aluminio. Luego del oxígeno y el silicio es el elemento más abundante.

• Fue necesario esperar hasta la existencia de tecnologías modernas y grandes disponibilidades de energía, para aislarlo (es decir, reducirlo) y así transformarse en el último metal de uso masivo utilizado por el hombre.

Abundancia de elementos en la corteza

terrestre

El resto de los 80 elementos, representa al 0,83% m/m

<0,013,000,14H10

0,020,200,44Ti9

0,561,842,09Mg8

2,141,422,59K7

1,602,642,83Na6

1,481,943,63Ca5

0,681,925,00Fe4

0,776,478,13Al3

0,8021,2227,72Si2

91,9762,5546,60O1

% volumen% átomos% m/mElementoOrden

Mari, E.; Los Materiales Cerámicos; Editorial Alsina; 1998

Metales en el Mercado Mundial

USD/KG USD/ton Costo relativo

Steel Coil (hot rolled) 0,513 513 1

Alum Alloy 1,730 1730 3

Aluminum 1,904 1904 4

Zinc 2,136 2136 4

SS304 (hot rolled) 2,21 2210 4

Lead 2,241 2241 4

Copper 6,500 6500 13

Tin 14,855 14855 29

Nickel 16,185 16185 32

Gold 10000 10000000 19493

http://www.metalprices.com/#

http://www.steelonthenet.com/prices.html

Comparación de Precios

Evolución de la Ingeniería en Materiales

Principales Características del Al☺ Baja densidad

☺ Elevada resistencia a la corrosión (metal autoprotegido: 1-10nm)

☺ Elevada conductividad eléctrica y térmica (cond term = 4,5

acero)

☺ Estructura cristalina: Cúbica Centrada de Caras (a=0,404nm) �

uso en prop criogénicas

☺ Elevada ductilidad (en gral)

- Baja tensión de fluencia (en gral)

☺ Muy buena formabilidad (en frío y en caliente)

☺ Elevadas propiedades específicas

☺ Posibilidad de obtener una amplia gama de acabados

superficiales (anodizado)

☺ Propiedades antichispa

☺ Elevada rigidez específica (comparable a la de los aceros)

Principales Características del Al

� Bajo módulo elástico (E = 70 GPa = 1/3 aceros)

� Baja resistencia a la fatiga

� Baja resistencia a elevadas temperaturas

� Baja resistencia al desgaste (baja dureza)

- Es no magnético

Obtención del Aluminio

La metalurgia del aluminio comprende dos fases:

1) Obtención de la alúmina (Al2O3) a partir del mineral (Bauxita)

2) Obtención del aluminio a partir de la alúmina

Bauxita � 30%-50% es Al2O3

(óxidos de Al, Fe, Si, Ti, H2O)

Alúmina

(Al2O3)Aluminio

1) Obtención de la alúmina a partir de la Bauxita (método Bayer)

�a2O, Al2OAluminato sódico (l)

�a2O.Al2O +4H2O ���� 2Al(OH)3 + 2�aOH

Orissa, India

Damandjodi, India

http://http://www.redmud.orgwww.redmud.org//FA�GO ROSAFA�GO ROSA

2) Obtención del aluminio a partir de la alúmina

El Al se obtiene por electrólisis de la alúmina

disuelta en un baño de criolita fundida (T ≈1000°C)

Criolita = 3NaF.AlF3 o fluoruro de calcio

Criolita: Fundente + electrolito

De esta forma se obtiene el aluminio de primera fusión � Pureza: 99.7%

Principales contaminantes: Fe, Si, Al2O3, carburos, fluoruros, Cu, Zn, Sn, Na, B, Ti

Puede obtenerse aluminio de mayor pureza mediante un afino electrolítico (99,99%)

220 kA

4 – 5 m

1,5

–2 m

Proviene del reciclado de chatarras.

Aluminio de segunda fusión

Las aleaciones más usadas

para las latas son: AA3003,

AA3004, AA3104, AA3105.

•Al producir aluminio a partir de chatarra existe un ahorro del 95%

de la energía si se compara con la producción a partir del mineral.

•En el proceso de reciclado no cambian las características del

material ya que se obtiene un producto con las mismas propiedades.

•El aluminio puede reciclarse indefinidamente y sin disminuir la

calidad del mismo.

Tensión de fluencia Tensión máxima Densidad

(MPa) (MPa) (g/cm³)

Acero estructural ASTM A36 steel 250 400 7.8

Acero, API 5L X65[3] 448 531 7.8

Aceros de alta resistencia ASTM A514 690 760 7.8

Acero inoxidable AISI 302 - Laminado en frio 520 860 8.19

Fundición de Fe 4.5% C, ASTM A-48 130 200

Aleaciones de Ti (6% Al, 4% V) 830 900 4.51

Aleaciones de Al 2014-T6 400 455 2.7

99.9% Cu 70 220 8.92

Cuproniquel 10% Ni, 1.6% Fe, 1% Mn, resto Cu 130 350 8.94

Latones 200+ 550 5.3

Cabello Humano 380

Tela de araña 1000

Material

Propiedades mecánicas del Aluminio y otros materiales

Curvas de tensión deformación para algunos metales

Clasificación de la aleaciones de Al

Aleaciones para productos trabajados (wrought alloys)La forma de los productos se logra mediante: colado en lingote (convencional, semicontinua o

continua) + conformado por deformación plástica en caliente y eventualmente en frío. Ejemplos:

chapas, flejes, tubos, alambrones, perfiles, barras, etc.

Pueden ser termotratables o no.

Aleaciones para piezas coladas (cast alloys)Estas aleaciones serán usadas para fabricar piezas mediante los diferentes métodos de colado. Es

mandatorio la obtención de una buena colabilidad, la que normalmente está asociada a la composición

química. En general se trata de aleaciones con mayor cantidad de aleantes que las aleaciones para

trabajado.

Pueden ser termotratables o no.

Mecanismos de endurecimiento para las aleaciones termotratables: Tratamiento de Bonificado

� Solubilización inicial + Temple + precipitación (envejecimiento).

Mecanismos de endurecimiento para las aleaciones no termotratables:� Endurecimiento por deformación plástica en frío

� Endurecimiento por solución sólida

Resistencia mecánica / Ductilidad / Resistencia a la corrosión / Formabilidad / Soldabilidad / Respuesta al anodizado

Para trabajado

Para colado

Termotratables

No Termotratables

Termotratables

No Termotratables

Envejecimiento natural

Envejecimiento artificial

Envejecimiento natural

Envejecimiento artificial

Aleaciones

de Aluminio

Clasificación de las aleaciones de Aluminio

Esta es la nomenclatura correspondiente a la Aluminum Association (AA). Consta de cuatro dígitos.

1º dígito: tienen que ver con los aleantes principales de la aleación. 2º dígito: Si es cero se trata de la primera versión de la aleación, y si es mayor indica sucesivas

modificaciones de la aleación base, normalmente tendientes a disminuir las impurezas en pos de mejorar

alguna propiedad.

3º y 4 dígitos: Solo poseen significado para la serie 1000. Indican las décimas y centésimas que le siguen

al 99% de pureza. Por ejemplo, la aleación AA1350 tiene una pureza mínima de 99,50% de Al.

�omenclatura de las aleaciones de Aluminio

Aleaciones de Al termotratables

Estas aleaciones adquieren una mayor resistencia mecánica mediante el siguiente TT:1) Solubilización (a T < Te): Puede ser de algunos minutos hasta horas2) Temple (por ejemplo, en agua)3) Envejecimiento:

� �atural (a T ambiente)� Artificial (a T > 50ºC)

T: 120 – 200ºCt: 3 – 24 horas

La pieza puede someterse a un proceso de

conformado luego del temple y antes del

envejecimiento. Ejemplo: remaches de aviones,

cuyo envejecimiento es natural.

Etapas del tratamiento térmico de una aleación de Al – 4%Cu

Microestructuras posibles para una aleación de Al – 4%Cu

Precipitado Incoherente Precipitado Coherente

Diferencia entre un precipitado coherente y un precipitado no coherente

AA 6061AA 6061(artificial)(artificial)

AA 2014AA 2014(artificial)(artificial)

Envejecimiento naturalEnvejecimiento natural

Curvas típicas de

envejecimiento artificial

y natural

�omenclatura de los tratamientos térmicos para aleaciones de Al

La nomenclatura corresponde a la Aluminum Association.

La letra T designa los tratamientos que involucran:

� Temple de solución

� Etapa de deformación en frío (puede no estar)

� Envejecimiento (natural o artificial)

En la tabla que sigue se muestran sólo los más importantes.

• Contienen un mínimo de 99% de Al.

• Principales impurezas: Fe (0,1 a 0,4%) y Si (<0,1%). Ambos provenientes del mineral de Al.

• Microestructura: matriz de Al con algunas partículas de segundas fases (Al6Fe, Al3Fe,

Al12FeSi).

• Es el grupo de mayor resistencia a la corrosión, mayor formabilidad, mayor soldabilidad, y

mayor conductividad térmica y eléctrica.

• Poseen muy baja resistencia mecánica y mala maquinabilidad. Ambas cosas se mejoran

mediante la deformación en frío, pero aún así la resistencia máxima alcanzada es menor que

para el resto de los grupos.

En estado recocido: Rp0,2 = 30 MPa y resistencia a la tracción 80 MPa.

En estado deformado en frío: Rp0,2 = 70 MPa y resistencia a la tracción 200 MPa.

Aplicaciones· Aplicaciones donde se necesite la máxima resistencia a la corrosión y sea aceptable la baja

resistencia mecánica. (Por ej: tanques de almacenamiento en la industria química).

· Conductores eléctricos de baja resistencia mecánica (aleación AA 1350).

· En la industria de envases (foil de Al, aleación AA 1145).

· En la fabricación de capacitores y reflectores.

· Elementos disipadores de calor.

Serie 1000: Aluminios de alta pureza

Aleaciones de la serie 2000� Aleante ppal: Cu. También contiene Mg y Mn así como otros elementos en menores proporciones.

� Las aleaciones comúnmente denominadas duraluminio pertenecen a este grupo.� Presentan una resistencia mecánica intermedia entre las de la serie 7000 (las de máxima resistencia)

y las de la serie 6000 (las de menor resistencia mecánica dentro de las aleaciones termotratables).

En general: Rp0,2 = 400 MPa (puede llegar hasta 500 MPa).

� La deformación en frío previa al envejecimiento es muy efectiva para aumentar la resistencia

mecánica, y, en el caso de las aleaciones que son envejecibles en forma natural, las propiedades alcanzan

un valor estable en un tiempo razonable.

� En estas aleaciones es el Mg el que incrementa la tendencia al envejecimiento natural (este fenómeno

no se da en aleaciones Al-Cu).

� Mala soldabilidad. Sus principales problemas son la susceptibilidad a la fisuración en caliente y la

necesidad de aplicar un TTPS para obtener la resistencia mecánica adecuada.

� Las aleaciones de mayor resistencia dentro de este grupo (AA 2024 y 2014) se usan en estructuras

aeronáuticas unidas mediante bulones o remaches evitando la soldadura.

Aplicaciones:� Industria aeronáutica: la AA 2024 y sus sucesoras 2124, 2224 y 2324 son usadas como productos

usualmente cladeados para la fabricación de los fuselajes unidos mediante remaches o bulones)

� Camiones y tractores, estructuras de edificios, chapas para carrocerías de automóviles, pistones

forjados de motores de combustión, remaches para aviones, y piezas que requieran alta

estabilidad dimensional.

6063-T6 Aberturas

400X, AA7050-T6. Reactivo: 0.5%HF200X, 1XX.X. Reactivo: 0.5%HF

Microestructuras más comunes en

aleaciones de aluminio comerciales

Microestructuras para diferentes aleaciones Al - Si

Algunos reactivos empleados para realizar metalografías de aleaciones de aluminio

Cambios microestructurales de una aleación de aluminio termotratable

luego de una soldadura

Productos

• Primarios

– lingotes

– barrotes para extrusión

– alambrón

– placas

• Elaborados

– laminados: planchas, chapas, foils (hasta 6,3 µm)

– extruidos: barras, perfiles, capintería

– trefilados: alambres

– colados

– forjados

Pueden ser: Autoportantes o con un núcleo de alambres de acero.

Por ejemplo: AA6101 T65

Conductores de líneas aéreas de alta tensión

PROCESO DE FABRICACIÓ�· Fusión, colada continua, laminación termomecánica

· Trefilación

· Envejecimiento

· Cableado

AutoportanteCon núcleo de acero

Espuma de Aluminio

Aplicaciones:

Llantas de Al-Mg

Aluminio “Honeycomb”Material: AA3003 o AA5052

Preguntas

1. Liste los siguientes materiales según su conductividad eléctrica en

unidades IACS: Al, Fe, Mg, Au, Ag.

2. Siendo que los óxidos de aluminio son tan abundantes en la

superficie de la Tierra, ¿por qué las aleaciones de aluminio se

comenzaron a utilizar fuertemente recién en el siglo XX?

3. ¿En qué tipo de industrias es importante que el material tenga

propiedades antichispa?

4. Liste los siguientes materiales según su resistencia específica:

ASTM A 36, ASTM A514, aluminio 2024-T6, titanio 6%Al-4%V

5. ¿Cuáles son los mecanismos de endurecimiento de las aleaciones

de aluminio de la familia: 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000 y

7000

6. ¿Qué familias de aleaciones de aluminio son endurecidas por

deformación plástica en frío?

Preguntas

7. ¿Qué espera que suceda con la dureza una aleación 1100-H18?

8. ¿Por qué los aluminios de la serie 1000 tienen mala

maquinabilidad?

9. ¿Cual es el objeto del templado en las aleaciones de aluminio

tratables térmicamente?

10. ¿Qué diferencia hay entre el envejecimiento artificial y natural?

11. ¿Por qué las aleaciones de aluminio se considera que tienen buena

resistencia a la corrosión?

12. ¿Qué es el anodizado en una aleación de aluminio?

13. ¿Por qué las aleaciones de aluminio para piezas coladas tienen

mayor composición química?

14. ¿Por qué los aviones suelen ser remachados?