Aluminio y sus aleaciones

Tecnología de los Materiales IES 4 – Tema VII 20

Aluminio y sus aleaciones

1- Introducción

A diferencia de otros metales como el oro, el cobre o la plata, el aluminio no existe en estado puro. En realidad, es un hallazgo del hombre, de su tecnología.

La corteza terrestre provee en abundancia, la materia prima, un polvo rojo conocido con el nombre de bauxita. De él se extrae la alúmina que, luego de ser tratada convenientemente mediante un proceso de electrólisis, se convierte en aluminio.

En nuestro país, la energía utilizada en la elaboración de este metal tiene la favorable particularidad de ser hidráulica, es decir, renovable permanentemente.

El aluminio se vincula a toda la industria moderna, inaugurando una era de nuevos recursos y posibilidades.

Las cualidades intrínsecas del metal, cada día más extendido, sustentan su campo de aplicación. Es inalterable, liviano y altamente reciclable.

Ingresar al mundo de la producción de aluminio es descubrir uno de los más interesantes procesos industriales de nuestro tiempo.

Cada era industrial tiene su metal clave. El aluminio, por su maleabilidad y posibilidades de uso, es el protagonista de la nuestra y será, sin duda, el gran protagonista del siglo XXI.

El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Se trata de un metal no ferromagnético. Es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la vegetación y de los animales.1 En estado natural se encuentra en muchos silicatos (feldespatos, plagioclasas y micas). Como metal se extrae únicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, por transformación primero en alúmina mediante el proceso Bayer y a continuación en aluminio metálico mediante electrólisis.

Este metal posee una combinación de propiedades que lo hacen muy útil en ingeniería mecánica, tales como su baja densidad (2.700 kg/m3) y su alta resistencia a la corrosión. Mediante aleaciones adecuadas se puede aumentar sensiblemente su resistencia mecánica (hasta 690 MPa). Es buen conductor de la electricidad y del calor, se mecaniza con facilidad y es relativamente barato. Por todo ello es desde mediados del siglo XX el metal que más se utiliza después del acero.

Fue aislado por primera vez en 1825 por el físico danés H. C. Oersted. El principal inconveniente para su obtención reside en la elevada cantidad de energía eléctrica que requiere su producción. Este problema se compensa por su bajo coste de reciclado, su dilatada vida útil y la estabilidad de su precio.

2- Historia

1825: Producción de los primeros glóbulos de aluminio metálico

1855: Producción del primer lingote de aluminio.

1886: Descubrimiento del método de obtención electrolítico.

1905: Descubrimiento de las posibilidades de obtención

La historia del aluminio está, por tanto, muy relacionada con la de la generación eléctrica. No hay que olvidar que anteriormente a 1872, en que aparece la primera dínamo de Gramme, sólo se contaba con fuente de electricidad con los diversos tipos de pilas que, por supuesto, no permitían este tipo de proceso electrolítico. Como referencia podemos mencionar que aún hoy son necesarios 13 o 14 KW hora por cada Kg. de aluminio primario obtenido, y en los primeros tiempos esa cifra era del orden de los 40 KW hora por Kg.

3- Usos generales

- Envases de alimentos y aerosoles en general

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- Conductor eléctrico

- Aleaciones para aeronáutica

- Componentes estructurales de obras civiles y vehículos

- Componentes de maquinaria (válvulas, criogenia, etc.)

- En Artículos del Hogar se lo utiliza extensamente en ollas, pavas y otros recipientes de menaje. Elementos de decoración de equipos de audio y televisión, pantallas de estufas, partes interiores de heladeras y acondicionadores de aire, paletas de ventiladores, platos giradiscos, cierres relámpagos, antenas de televisión y frecuencia modulada, palos de golf, cañas de pescar y agujas de tejer son algunos otros usos hogareños.

4- Precio aproximado del lingote de aluminio a valores constantes

U$/kg 7.00

Laminado U$/kg 10

5- Proceso de fabricación del aluminio

El aluminio primario o metálico se obtiene a partir de compuestos minerales existentes en la corteza terrestre que lo contienen en gran proporción.

Composición de la corteza terrestre

Elemento Partes por mil

Oxígeno 466

Silicio 277

Aluminio 81

Hierro 50

Calcio 37

Sodio 28

Potasio 26

Otros 35

Total 1000

En general se suele utilizar Bauxita que es un hidrato de alúmina impuro del cual se obtiene la alúmina (óxido de aluminio) y de ésta, por método electrolítico, el aluminio metálico.

Si bien el proceso electrolítico de obtención del aluminio metálico resulta en la práctica más complejo, éste se puede indicar en forma simplificada en base a los siguientes esquemas:

1 – La alúmina u óxido de aluminio (Al2 O3) es colocada en cubas que tienen un fondo de cartón aglomerado conectado al polo negativo (cátodo) y otro electrodo similar conectado al polo positivo (ánodo)

.2 – Por efecto de la corriente eléctrica que la atraviesa, la alúmina se descompone yendo el oxígeno hacia el ánodo y el aluminio hacia el cátodo.

3 – De esa manera el aluminio se deposita en el fondo de la cuba desde donde es extraído por succión, mientras superiormente se desprende anhídrido carbónico (CO2) producto de la combinación del oxígeno y el carbono del ánodo.

Crisoles especiales lo trasladan a los hornos de colada de los cuales pasan a las lingoteras. Es aquí donde se obtienen los lingotes de 99,5% de aluminio puro (o mayor porcentaje) y el punto de partida para la obtención de semiterminados.

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Fundición

Como primera etapa se cargan lingotes y recortes, variando el mix según el tipo de aleación a obtener, en un horno de fusión que se encuentra a aproximadamente 800ºC.

Cuando todo el baño está a la misma temperatura, se esparce sobre la superficie un producto que favorece el desprendimiento de escoria, haciendo que esta flote y pueda ser extraída, comenzando el operativo para la colada. Para ello la temperatura del baño debe estar entre 690 y 710ºC; alcanzada esta etapa se realiza el trasvasamiento al horno de colada. Todo el ciclo fusión - colada abarca aproximadamente 6.5 horas.

Agregando en los baños pequeñas cantidades de elementos como Mg, Si, Mn, Cu o Zn se obtienen aleaciones que reportarán mejoras en propiedades como resistencia mecánica, ductilidad, conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión.

La proporción de elementos aleantes es usualmente menor al 10%.

Laminado

Es darle una deformación permanente obligándolo a pasar entre 2 cilindros de separación inferior al espesor del material. La deformación obtenida es esencialmente un alargamiento en sentido perpendicular al eje del cilindro.

La experiencia indica que prácticamente no hay alargamiento en el sentido paralelo al eje. El material, alargándose bajo los cilindros, sale de estos a una velocidad superior a la de entrada. El caudal de entrada es igual al de salida, admitiendo que el ancho no se modificó.

Cualquiera sea la velocidad periférica de los cilindros, el material entra y sale a velocidades distintas; ésto implica forzosamente un deslizamiento entre cilindros y material. Este deslizamiento a lo largo del arco de contacto impone una lubricación para evitar el agarre entre el material y los cilindros.

No puede haber laminación sin deslizamiento.

Al haber deslizamiento, existen roces mecánicos y disipaciones de potencia en forma de calor. También existe desprendimiento de calor por el trabajo de deformación plástica del material.

Elementos claves

*. Camber y apretado de los cilindros: El camber compensa su flexión bajo el esfuerzo de presión (0,01 a 0,30 mm).

*. Estado superficial de cilindros y rectificación de los mismos.

*. Aceites de laminación: actualmente se utilizan aceites minerales combinados con ácidos grasos.

*. Velocidad de laminado: un incremento de ésta aumenta la reducción de espesor a igual presión. Esto ocurre como consecuencia de la variación de las condiciones de lubricación con la velocidad.

*. Tensión de bobinado y desbobinado.

6- Designación del aluminio y sus aleaciones

Según: IRAM (Rep. Arg.), COPANT (Normas Panamericanas), Aluminun Association (EE.UU):

1000 - Aluminio Puro

Propiedades: formalidad, soldabilidad, buena a excelente resistencia a la corrosión y conductividad eléctrica muy alta, resistencia limitada.

Usos: equipamiento químico, reflectores, intercambiadores de calor, arquitectura y decoración.

2000 - Aleaciones al Cobre

Cobre: hace las aleaciones tratables térmicamente; aumenta la resistencia y la dureza.

Propiedades: estas aleaciones pueden exceder la resistencia de un acero medio hasta en un 50%. Resistencia a la corrosión y soldabilidad limitada. Algunas aleaciones de esta familia tienen una maquinabilidad superior.

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Usos: partes y estructuras que requieren alta resistencia. Paneles de cajas de camiones, estructuras de aviones y todo lo que requiere una buena

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