Tarea 1. Aleaciones de aluminio PDF

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ALEACIONES DE ALUMINIO

Ignacio Villasevil Madrid Fundamentos de la ciencia de los materiales II Universidad Nacional de Estudios a Distancia Madrid, 2018

Índice de contenidos 1. Objetivos

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2. Desarrollo 2.1 El aluminio

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2.2 Aleaciones de aluminio

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2.2.1 Clasificación en función de su composición

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2.2.2 Clasificación en función de su utilización 2.2.2.1 Aleaciones para moldeo

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2.2.2.2 Aleaciones para forja

pág. 8

2.2.2.2.a Aleaciones para forja no endurecibles por tratamiento térmico

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2.2.2.2.b Aleaciones para forja endurecibles por tratamiento térmico 2.2.3 Tratamientos térmicos

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2.2.3.1 Endurecimiento por precipitación 2.2.3.2 Recocido

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2.2.4 Designación de los estados de tratamiento 2.3 Aplicaciones

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2.4 Deterioro

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2.5 Aspectos medioambientales

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3. Conclusiones

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4. Bibliografía

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1. Objetivos Mediante este texto se pretenden clasificar y analizar las diferentes aleaciones de aluminio utilizadas en la industria, atendiendo a su composición, propiedades y usos más generalizados. Se empezará exponiendo brevemente a cerca del aluminio metal puro y su proceso de extracción. Una vez conocidas las propiedades del aluminio metal puro, se harán dos tipos de clasificación de las distintas aleaciones de aluminio, por un lado, atendiendo a su composición química, y por otro lado en función de su utilización. Analizaremos los tratamientos térmicos más comúnmente utilizados en la mejora de propiedades de aleaciones de aluminio, para finalmente poder tener una visión general de todas ellas, permitiendo realizar una elección del material adecuado para cada aplicación específica. Para finalizar se expondrán los factores medioambientales más relevantes asociados a la industria del aluminio y su explotación.

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2. Desarrollo 2.1 El aluminio El aluminio es el tercer elemento más abundante sobre la corteza terrestre, siendo un 8% su porcentaje en peso aproximado. Se trata del metal más abundante y sin embargo no dejó de ser un elemento relativamente raro hasta finales del siglo XVIII. Debido a su alta reactividad con otros elementos no se encuentra libre en la naturaleza, echo que dificultó su obtención y posterior uso en la industria. Además de formar parte de diversos silicatos y aluminosilicatos, los minerales más importantes que lo contienen son la bauxita y el corindón. No fue hasta el año 1886, cuando de forma simultanea y en puntos geográficamente alejados, el científico Paul Louis Toussaint Hérault (Francia) y el inventor e ingeniero Charles Martin Hall (Estados Unidos), propusieron un procedimiento de extracción basado en la electrólisis de la bauxita fundida. En combinación con el proceso Bayer (1889), el cual permite purificar la bauxita separando aluminatos y silicatos, es el método que se ha seguido utilizando hasta hoy día, aplicando las sucesivas mejoras tecnológicas disponibles en cada momento. El aluminio metal es uno de los materiales mas versátiles que se conocen. Muchas de sus aplicaciones se basan en su baja densidad, alta ductilidad y maleabilidad. Otras propiedades destacables son tambien su alta conductividad eléctrica, térmica y poder reflexivo. En contacto con el aire el aluminio reacciona rápidamente con el oxígeno presente para formar una capa de alúmina, óxido de aluminio, la cual proteje al material de futuras corrosiones. Pácticamente en la totalidad de los casos, el aluminio se combina con otros metales, para así lograr unas propiedades mecánicas específicas finales, que dotarán a la aleación del mejor equilibrio entre prestaciones y costo para cada uno de sus usos industriales.

Proceso Bayer

Proceso Hall Hérault

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Antes de entrar en detalle sobre las distintas aleaciones de aluminio, sus características y usos más frecuentes, sera conveniente, para así poder comparar y apreciar de forma cuantitativa las diferencias, recopilar brevemente las propiedades más significativas del aluminio metal puro.

Propiedades del aluminio Símbolo Número atómico Peso atómico Punto de fusión Punto de ebullición Estructura cristalina Densidad Conductividad eléctrica Conductividad térmica Dureza Brinell (HB) Módulo de Young

Al 13 26,98 660ºC 2519ºC Cúbica centrada en las caras 2698,4 kg/m3 37,7x106 S/m 237 W/k.m 15 66,6 GPa

Las propiedades fisicoquímicas de las aleaciones de aluminio pueden variar de forma significativa en función de los metales aleantes que lo acompañan y los tratamientos a los que se somete el material. A continuación, se exponen, a modo de ejemplo, algunas de las propiedades ensayadas en laboratorio para aleaciones concretas.

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2.2 Aleaciones de aluminio Con el fin de mejorar sus propiedades, en la metalurgia del aluminio se han utilizado principalmente aleaciones con metales como el cobre, silicio, magnesio, manganeso, zinc, litio, hierro, níquel, cromo y titanio, dando lugar a la correspondiente solución sólida terminal 𝛼 y en la mayoría de los casos a compuestos intermetálicos de la forma AlxBy, siendo los diagramas de fases entre el aluminio y el metal aleante muy similares en los rangos de utilización más habituales para dichas aleaciones.

Con el modelo de sistema eutéctico que se presenta a continuación y aplicando los datos para cada aleación, puede obtenerse el diagrama de fases concreto de cada una de ellas.

Al-B Al-Cu Al-Si Al-Mg Al-Mn Al-Li Al-Fe Al-Ni

B0 0,2 0,05 1,8 0,04 0,02

B1 5,7 1,6 17,4 1,8 4,2 0,04 0,04

BE 32,7 12,6 34 1,9 7,5 1,8 60

TE 548 577 450 657 602 655 640

AlxBy Al2Cu Si Al3Mg2 Al6Mn AlLi Al3Fe Al3Ni

BC 55 100 36 25 20 40 42

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2.2.1 Clasificación en función de su composición Una de las formas más comunes de designación para las aleaciones de aluminio consiste en el sistema numérico adoptado por la Aluminum Association, con sede en los Estado Unidos. Esta designación de abreviatura “AA”, es un sistema que consta de cuatro dígitos de la forma, AXXX. El primer dígito especifica el tipo de aleación en función del aleante principal y los tres números restantes designan la aleación específica de aluminio.

Designación 1XXX 2XXX 3XXX 4XXX 5XXX 6XXX 7XXX 8XXX

Aleante principal 99% Aluminio Cu Mn Si Mg Mg, Si Zn Otros

Principales compuestos presentes Al2Cu - Al2CuMg Al6Mn Al3Mg2 Mg2Si MgZn2 -

2.2.2 Clasificación en función de su utilización Las aleaciones de aluminio pueden ser clasificadas en función de su utilización en dos grandes grupos; aleaciones para forja y aleaciones para moldeo. Según la normativa UNE, normativa española, las aleaciones de aluminio se designan con la letra L, indicando que se trata de una aleación ligera, seguida de cuatro cifras que pueden comenzar por: L-2XXX correspondiente a aleaciones para moldeo L-3XXX correspondiente a aleaciones para forja La segunda cifra indica el aleante principal y las dos restantes especifican la aleación.

Designación 0XX 1XX 3XX 4XX 5XX 7XX 8XX 9XX

Aleante principal 99% Aluminio Cu Mg Mg, Si Si Zn Mn Otros

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2.2.2.1 Aleaciones para moldeo Las aleaciones de aluminio para moldeo se sitúan en la zona 𝐵𝐼 < %𝐵 < 𝐵𝐸 en el diagrama para aleaciones de aluminio. En general son aleaciones próximas al eutéctico. Este tipo de aleaciones presentan una serie de propiedades útiles para los procesos de fabricacion que se llevan a cabo con ellas, como pueden ser el grado de contracción y fluidez, muy importantes a la hora de reducir imperfecciones en el proceso de moldeo. La mayoria de aleaciones para moldeo tienen un alto contenido en silicio, pudiendo ser eutécticas, hipoeutécticas e hipereutécticas. El silicio aumenta la fluided, resistencia a la corrosión y dureza del material, hecho que dificulta las tareas de mecanizado. De los enfriamientos lentos resulta una estructura con grandes agujas de silicio en la matriz de aluminio, dotando al material de una baja ductilidad. Con un enfiamiento rápido, resulta una estructura más fina, mejorandose la ductilidad y resistencia mecánica. Este tipo de aleaciones ofrecen la ventaja de poder ser soldadas. La aportación de silicio disminuye el coeficiente de expansión térmica de la aleación, evitando así buena parte de la contracción por enfriamiento, la cual deriva en defectos e imperfecciones en el proceso de fabricación. La presencia de cobre mejora la maquinabilidad y la resistencia mecánica pero disminuye la resistencia a la corrosión. El magnesio mejora la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión. A continuación, se detallan las composiciones de las aleaciones comúnmente más utilizadas para moldeo.

Designación L-2341 L-2520 L-2551 L-2560 L-2615 L-2635 L-2652 L-2710

Si 1,3 11-13 11-13 9,0-10 4,0-6,0 6,0-8,0 6,5-7,5 0,30

Fe 0,50 0,30 0,55 0,50 0,30 0,30 0,20 0,30

Cu 0,10 0,10 0,5-1,5 0,10 2,0-4,0 2,0-4,0 0,10 0,2-0,4

Mn 0,50 0,20 0,10 0,10 0,1-0,3 0,1-0,2 0,10 0,40

Mg 2,1-4,0 0,10 0,8 -1,5 0,2-0,4 0,2-0,3 0,3-0,4 0,2-0,4 0,5-0,6

Ni 0,05 0,10 0,5 -1,5 0,10 0,10 -

Zn 0,20 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 4,8-5,7

Ti 0,1-0,2 0,10 0,1-0,2 0,1-0,2 0,1-0,2 0,2-0,3

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2.2.2.2 Aleaciones para forja Las aleaciones de aluminio para forja se sitúan en la zona %𝐵 < 𝐵𝐼 en el diagrama para aleaciones de aluminio. Presentan una elevada plasticidad y pueden ser tratadas termomecánicamente. Las aleaciones para forja se dividen a su vez en dos subgrupos; aleaciones para forja endurecibles por tratamiento térmico y aleaciones para forja no endurecibles por tratamiento térmico. Las aleaciones para forja no endurecibles por tratamiento térmico se localizan en la zona %𝐵 < 𝐵0 del modelo eutéctico anterior, Las aleaciones para forja endurecibles por tratamiento térmico entran en el rango del diagrama 𝐵0 < %𝐵 < 𝐵𝐼 . A continuación, se detallan las composiciones de las aleaciones comúnmente más utilizadas para forja.

Designación L-3051 L-3001 L-3192 L-3810 L-3350 L-3351 L-3441 L-3431

Si 0,25 0,50 0,40 0,60 0,30 0,08 0,2-0,6 0,3-0,7

Fe 0,40 0,50 0,70 0,70 0,70 0,10 0,35 0,50

Cu 0,05 0,05 5,0-6,0 0,1-0,2 0,20 0,10 0,10 0,10

Mn 0,05 0,05 1,0-1,5 0,20 0,03 0,10 0,03

Mg 0,05 0,5-1,1 0,6-1,0 0,5-0,9 0,4-0,8

Zn 0,05 0,10 0,30 0,10 0,25 0,05 0,10 0,10

Ti 0,03 0,05 0,10 -

Otros 0,03 0,05 0,05 0,05 0,02 0,05 0,03

Serie L-30XX. Aluminio en un 99%. El hierro y el silicio son sus principales impurezas. Alta resistencia a la corrosión, muy buena conductividad térmica y eléctrica. Baja resistencia mecánica y muy buena trabajabilidad. Endurecibles por acritud. Serie L-31XX. Cobre como principal aleante. Resistencia a temperaturas altas en servicio. Después de tratamiento térmico presentan muy buenas propiedades mecánicas. Menor resistencia a la corrosión que la mayoría de las aleaciones de aluminio. Serie L-33XX. Magnesio como principal aleante. Endurecibles por acritud para conseguir buena resistencia. Soldables y con buena resistencia a la corrosión. Serie L-34XX. Silicio y magnesio como principales aleantes. Buena soldabilidad, maquinabilidad y resistencia a la corrosión. Tratables térmicamente. Serie L-38XX. Manganeso como principal aleante. Tienen un 20% más de resistencia que las aleaciones de la serie L-30XX. No tratable térmicamente.

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2.2.2.2.a Aleaciones para forja no endurecibles por tratamiento térmico Se caracterizan por su elevada plasticidad. Aun no siendo posible el tratamiento térmico para lograr el endurecimiento, pueden endurecerse siendo trabajadas en frio por la acritud generada durante la deformación del material. Entran en esta categoría las aleaciones aluminio-magnesio (Serie L-33XX) y aluminiomanganeso (Serie L-38XX). Las aleaciones de aluminio con magnesio para forja son más ligeras que el aluminio sin alear. El contenido en magnesio puede llegar hasta un 5,5% en algunas aleaciones usadas en la industria química, con muy alta resistencia a la corrosión. Las aleaciones de aluminio con manganeso mejoran la resistencia mecánica del aluminio sin perder su ductilidad y resistencia a la corrosión. Son ampliamente utilizadas en la fabricación de latas para bebidas y botes de conserva.

2.2.2.2.b Aleaciones para forja endurecibles por tratamiento térmico Presentan propiedades mecánicas de tipo medio, buena forjabilidad, resistencia a la corrosión y facilidad de anodizado. En esta categoría entran las aleaciones aluminio-cobre (Serie L-31XX) y aluminiomagnesio-silicio (Serie L-34XX). Las aleaciones de aluminio con cobre contienen además magnesio y silicio, ya que aumentan su resistencia mecánica e influyen positivamente en la cinética de la precipitación en la maduración, reduciendo el tiempo en el que se completa el proceso. Como desventajas cabe destacar que no son soldables, siendo necesaria la unión por otros métodos, además de no tener muy buena resistencia a la corrosión. Cuando se alea aluminio con magnesio y silicio, se obtiene un material con resistencia mecánica inferior, pero con mucha facilidad de deformación en caliente, más resistente a la corrosión, mejor soldabilidad y buena conductividad eléctrica. Esta serie es muy utilizada en carpintería, en la fabricación de puertas y ventanas. Existen aleaciones con aplicaciones más específicas como puede ser la aleación aluminio-litio. Esta aleación, además de ser muy cara, no es fácil de colar ni conformar en caliente. Destacan propiedades como su elevado módulo elástico, gran ligereza y resistencia mecánica, pudiendo cumplir con los requisitos necesarios para ser utilizadas en el sector aeroespacial.

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2.2.3 Tratamientos térmicos Las aleaciones de aluminio pueden ser tratadas para modificar sus propiedades mediante procedimientos mecánicos o térmicos, siendo los tratamientos térmicos de endurecimiento por precipitación y el recocido los más utilizados en estas aleaciones.

2.2.3.1 Endurecimiento por precipitación Este tratamiento térmico, también llamado endurecimiento por envejecimiento o maduración y tratamiento térmico de bonificado, consiste en aprovechar el cambio de solubilidad en la aleación debido a la temperatura, para así conseguir una estructura en la matriz que evite el desplazamiento de las dislocaciones. El proceso consta de tres etapas, tratamiento de solubilización, temple y maduración. En primer lugar, se calienta la aleación a cierta temperatura durante un tiempo determinado, logrando disolver la fase AlxBy situada en las fronteras de grano y saturando la aleación lo máximo posible de soluto, para así conseguir una estructura monofásica y homogénea. Después es sometida a un enfriamiento brusco. De esta forma se consigue una solución sólida sobresaturada homogénea, evitando la precipitación de la fase AlxBy en las fronteras de grano. En la última etapa del proceso, la maduración, el exceso de soluto alcanzará el equilibrio saliendo de la solución sólida. La etapa de maduración puede realizarse a temperatura ambiente, en este caso se la llama maduración natural, o bien calentarse hasta cierta temperatura para acelerar el proceso, envejecimiento artificial. El endurecimiento observado en el material es debido a la concentración localizada de átomos de soluto en determinados planos cristalográficos, formando agrupaciones que se conocen como zonas de Guinier Preston (zonas GP). Se trata de zonas donde se concentra el soluto dentro de la matriz de aluminio conservando su estructura y formando una interfase coherente. La aparición de estas zonas provoca una distorsión en la red de la matriz, la cual evita el desplazamiento de las dislocaciones. Si se opta por una maduración artificial se corre el riesgo de que el soluto sebrepase el límite en el que llega a formar precipitados coherentes, formando su propia red cristalina de forma que los planos cristalográficos ya no coincidan, sin conseguir el efecto deseado en el tratamiento térmico.

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2.2.3.2 Recocido Mediante este tratamiento térmico se busca recuperar las propiedades de un material con acritud después de haber sido trabajado en frio. En la figura “a”, se observa el estado inicial de acritud, se pueden apreciar los granos alargados en el sentido de la deformación. El estado final del grano en la aleación dependerá del estado de acritud inicial de esta, la temperatura a la que se lleve a cabo el proceso y el tiempo que dure el tratamiento de recocido. El tamaño final del grano obtenido en la recristalización es un factor muy importante, pues tendrá relación directa con las propiedades mecánicas finales de la aleación.

2.2.4 Designación de los estados de tratamiento Si la aleación hubiera sido sometida a algún tipo de tratamiento térmico o mecánico, existe una nomenclatura específica para cada proceso, de esta forma queda reflejado el estado de la aleación en el momento en el que se dispone de ella.

Designación O1 O2 O3 H1 H2 H3 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10

Tratamiento Recocido a alta temperatura y enfriamiento lento Tratamiento termomecánico Homogeneizado Endurecido por deformación Endurecido por deformación y recocido parcial Acritud y estabilizado Temple y maduración natural Temple, deformación en frio y maduración natural Tratamiento de solubilización, deformación en frio y maduración artificial Tratamiento de solubilización, temple y maduración natral Temple y maduración artificial Tratamiento de solubilización, temple y maduración artificial Tratamiento de solubilización, temple y sobremaduración Tratamiento de solubilización, temple, acritud y maduración artificial Tratamiento de solubilización, deformación en frio y maduración artificial Temple, deformación en frio y maduración artificial

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2.3 Aplicaciones Las aleaciones de aluminio se caracterizan por tener una gran versatilidad. La capacidad de obtener propiedades mecánicas muy dispares y específicas entre unas aleaciones y otras, abre un abanico de posibilidades en cuanto a su utilización y a los sectores que se benefician de ellas. A continuación se exponen, atendiendo a la composición de la aleación, los usos más comunes que se da en la industria a dichos materiales. Serie 1XXX: Aluminio en un 99% o mayor porcentaje. Tiene especial importancia en los sectores eléctrico y químico. Estas aleaciones tienen una gran resistencia a la corrosión y son fáciles de trabajar. Se utilizan principalmente en la fabricación de conductores eléctricos y equipos de alta resistencia a la corrosión para la industria química. Serie 2XXX: Cobre como principal aleante. Estas aleaciones poseen muy buenas propiedades mecánicas. Son utilizadas en la fabricación de piezas y estructuras que necesiten de una buena relación resistencia/peso, como por ejemplo en el fuselaje de aviones, ruedas de camiones y estructuras que requieran de una alta dureza a temperaturas superiores a los 150ºC. Serie 3XXX: Manganeso como principal aleante. Tienen solamente un 20% más de dureza que el aluminio puro. Estas aleaciones son utilizadas en la fabricación de utensilios que requieran de una dureza media y buena trabajabilidad. Ejemplos de ello serían la fabricación de latas de refresco, utensilios de cocina, mobiliario, intercambiadores de calor y elementos arquitectónicos. Serie 4XXX: Silicio como principal aleante. Se puede conseguir un bajo punto de fusión sin producir fragilidad cuando la concentración de silicio es elevada (12%), haciendo de este tipo de aleaciones las más adecuadas como elemento de soldadura para otras aleaciones de aluminio. Utilizando técnicas de oxidación anódica y en func...