El Aluminio

1.Definición e historia

El aluminio es tercer elemento más abundante de la tierra. Constituye aproximadamente el 8% de su corteza. Sólo el silicio y el oxígeno son más abundantes.

Sólo existe en la naturaleza en combinación con otros materiales - silicatos y óxidos- muy estables, que dificultaron el desarrollo de métodos para obtener el aluminio en un estado razonablemente puro.

Como metal su uso común es muy reciente. Las primeras civilizaciones utilizaban adobes ricos en aluminio para crear cerámica y sales de aluminio para hacer medicinas y colorantes.

En 1808, Sir Humphrey Davy de Gran Bretaña, estableció la existencia del aluminio y le dio su nombre.

En 1821, Pierre Vertier encuentra en Provenza una piedra dura, rojiza y parecida a la arcilla, que contenía un 52% de óxido de aluminio, a la que denominó Bauxita. El aluminio no fue aislado como tal hasta 1825.

El primer lingote de aluminio se presentó al mundo en 1855 en la Exposición Universal. 30 años más tarde, en 1886 simultáneamente el francés Paul Heroult y el americano Charles Martin Hall encontraron el procedimiento industrial para la obtención del aluminio a partir de la electrólisis.

Subsecuentemente, en 1888, el químico alemán Karl Joseph Bayer inventa el proceso para purificar el mineral y producir alúmina conforme al proceso descrito por Hall-Heroult, con lo que se completa el ciclo en la búsqueda de un proceso comercial exitoso en la producción del aluminio.

2.Propiedades del aluminio

Símbolo Al

Numero atómico 13

Punto de fusión 660.32 °C

Punto de ebullición 2519 °C

Densidad 2.70 g/cm3 a 20 °C

Color Plateado-blanco

• Metal muy electropositivo y extremamente reactivo.

• Al contacto con el aire se cubre rápidamente con una capa dura y transparente de óxido de aluminio resiste a la corrosión. Esto hace que sea inerte a los ácidos, pero no a los álcalis.

• Es un metal ligero.

• Es un buen conductor de electricidad, sólo superado por el cobre.

• El aluminio puro tiene unas propiedades mecánicas reducidas pero sus aleaciones consiguen puntos muy elevados.

• Tiene una buena conductividad térmica.

La propiedad química más destacada del aluminio es su gran afinidad con el oxígeno, por lo que se emplea entre otras cosas, para la desoxidación de los baños de acero, para la soldadura alumino-térmica (Al + Fe2O3), para la fabricación de explosivos, etc.

A pesar de esto, y aunque parezca un contrasentido, el aluminio es completamente inalterable en el aire, pues se recubre de una delgada capa de óxido, de algunas centésimas de micra, que protege el resto de la masa de la oxidación.

Debido a esta película protectora, resiste también a la acción del vapor de agua, el ataque nítrico concentrado y muchos otros compuestos químicos. En cambio, es atacado por el ácido sulfúrico, el clorhídrico, el nítrico diluido y las soluciones salinas.

Las propiedades mecánicas del aluminio son más interesantes son su débil resistencia mecánica, y su gran ductilidad y maleabilidad, que permite forjarlo, trefilarlo en hilos delgadísimos y laminarlo en láminas o panes tan finos como los del oro, hasta de un espesor de 0,0004 mm (0,4 micras). A la temperatura de 500ºC se vuelve frágil y se puede pulverizar fácilmente.

2.1 Minerales

Se encuentra normalmente en forma de silicato de aluminio puro o mezclado con otros metales como sodio, potasio, hierro, calcio y magnesio, pero nunca como metal libre. Los silicatos no son menas útiles, porque es extremamente difícil y caro extraer el aluminio de ellas.

Entre estas combinaciones naturales destacan: ortosa o feldespato potásico [KAlSi3O8], albita o feldespato sódico [NaAlSi3O8], anortita o feldespato cálcico [CaAl2Si3O8], moscovita o mica de potasio [KAl2(AlSi3O10)(OH,F)2], caolín o caolinita [Al4(Si4O10)(OH)8], corindón [Al2O3] y arcillas (mezclas de productos de descomposición de silicatos de aluminio (granito, gneis, feldespatos) por acción del agua, dióxido de carbono, calor, etc)

La bauxita [Al2O3.xH2O], óxido de aluminio hidratado impuro, es la fuente comercial de aluminio y de sus compuestos (fig.1).

2.2 Obtención

El procedimiento de extracción consta de dos fases:

- Extracción del óxido de aluminio puro Al2O3 (alúmina) de la bauxita.

La alúmina se obtiene a partir del método químico desarrollado por K. J. Bayer consistente en una serie de reacciones químicas desencadenadas cíclicamente que comienzan mezclando bauxita triturada con soda cáustica liquida y calentada a baja presión obteniendo así hidróxido de aluminio. Este se separa del residuo insoluble (lodo rojo) por precipitación. Por calcinación del hidróxido se obtiene la alúmina con apariencia de un polvo blanco como la sal de cocina.

- Reducción electrolítica del óxido de aluminio.

En 1886 Charles Martin Hall en los Estados Unidos y Paul L. T. Héroult en Francia descubrieron por separado y casi simultáneamente que el óxido de aluminio o alúmina (P.F. 2050ºC) se disuelve en criolita (Na3AlF) fundida (a 950ºC) en una mezcla de densidad inferior a la del aluminio, con lo que éste sedimenta, evitándose su oxidación con el oxígeno atmosférico, pudiendo ser descompuesta electrolíticamente en una cuba que actúa de cátodo con electrodos de carbón que actúan de ánodo.

En el cátodo se deposita aluminio líquido, ya que el baño se encuentra a una temperatura superior a la de su punto de fusión, que cae por gravedad al fondo de la cuba electrolítica de donde se retira.

De este proceso sale, el aluminio con un 93.3 y 99.8 % de pureza. Para producir una tonelada de aluminio se requieren de cinco toneladas de bauxita para dos toneladas de alúmina con un consumo de 13000 Kw/H.

El aluminio obtenido se denomina primario y no es utilizado en esta forma sino aleado con otros metales que le aumentan sus cualidades y propiedades como resistencia a la corrosión y características mecánicas y de elasticidad. Las aleaciones del aluminio se presentan en forma de tochos para extrusión, placas para laminación y lingotes para fundiciones y son materia prima para las industrias transformadoras.

El consumo energético del proceso es muy grande. Actualmente, el mineral criolita ha sido reemplazado por una mezcla de fluoruros de sodio, aluminio y calcio. Otro método más moderno es la electrólisis del AlCl3, sin fundente. El reciclado requiere menos de un 5% del consumo eléctrico gastado para obtener la misma cantidad de aluminio de la bauxita.

3. Aleaciones del aluminio

3.1 Generalidades

El aluminio puro prácticamente no tiene aplicación, dado que se trata de un material blando y de poca resistencia mecánica. Sin embargo, aleados con otros elementos permite aumentar su resistencia y adquirir otras cualidades, que varían según la naturaleza de los aleantes utilizados.

Los elementos más utilizados para formar aleaciones con el aluminio son el Cobre (Cu), Silicio (si), Magnesio (Mg), Zinc (Zn) y Manganeso (Mn). En menor medida, usados como aditivos, o que pueden estar presente como impurezas en las aleaciones, están el Hierro (Fe), Cromo (Cr) y Titanio (Ti). Para la obtención de otras aleaciones especiales se suele adicionar Níquel (Ni), Cobalto (Co), Plata (Ag), Litio (Li), Vanadio (V), Circonio (Zr), Estaño (Sn), Plomo (Pb), Cadmio (Cd) y Bismuto (Bi).

3.2 Designación

Las aleaciones de aluminio se designan con un número de 4 dígitos (YXXX) de acuerdo con el sistema adoptado por la Aluminum Association. El primer dígito (Y) indica el tipo de aleación de acuerdo con el elemento aleante principal, según la tabla siguiente:

Componente Principal Número Grupo de Aleación

Aluminio sin alear 99% 1

Cu 2

Mn 3

Si 4

Mg 5

Mg, Si 6

Zn 7

Otros 8

Tabla 1. Número de grupos de las aleaciones de aluminio

Los demás dígitos que designan la serie indican la aleación específica de aluminio o la pureza de éste.

Junto con la designación base de 4 números, es común utilizar además letras y números adicionales para una especificación más completa, según el siguiente esquema:

La letra O: indica que la pieza ha sido sometida a recocido ya sea de forja como de fundición, de acuerdo a las siguientes variantes:

• 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 difusión a alta temperatura.

La letra H: seguida por uno, dos o tres dígitos designa el grado de trabajo en frío. Indica el estado de acritud y se aplica a 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 y sin perder ductilidad.

• H3: Acritud y estabilizado.

• H4: Acritud y lacado o pintado. Son aleaciones endurecidas en frío y que pueden sufrir un cierto recocido en el tratamiento de curado de la capa de pintura o lacada.

La letra T: seguida por uno, dos o tres dígitos sirve para indicar que la

...