EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES
ANDRES FABIAN CASTILLO DEYBI LOPEZ MALDONADO
FUNDACION UNIVERSITARIA LOS LIBERTADORES INGENIERIA MECANICA
METALES Y TRATAMIENTOS TERMICOS BOGOTA 2010
OBJETIVOS
Definir y conceptualizar que es el aluminio y como se obtiene.
Conocer los diferentes tipos de aleaciones del aluminio y sus
diagramas de fase Aprender a interpretar este tipo de diagramas.
Establecer cules son los diferentes tipos de tratamientos trmicos
que se pueden realizar con el aluminio. Conocer las diferentes
propiedades del aluminio. Explicar la importancia del duraluminio y
sus aplicaciones.
EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES. El aluminio es un elemento qumico,
de smbolo Al y numero atmico 13. Se trata de un metal no ferro
magntico. Es el tercer elemento ms comn encontrado en la corteza
terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la corteza de
la tierra y se encuentran presentes en la mayora de las rocas, de
la vegetacin y de los animales. En estado natural se encuentra en
muchos silicatos (feldespatos, plagioclasas y micas). Como metal se
extrae nicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, por
transformacin primero en almina mediante el proceso Bayer y a
continuacin en aluminio metlico mediante electrolisis. OBTENCION
DEL ALUMINIO Se obtiene a travs de cuatro elementos que son:
Bauxitas: Las bauxitas contienen el equivalente a 30-57% de Al2O3
en forma de hidrxido de aluminio Al(OH)3 ; 17-35% de Fe2O3 ; 3-13%
de SiO2 ; 2-4% de TiO2 ; hasta 3% de CaO y 1018% de H2O Nefelinas:
Las nefelinas se producen en forma de colas, despus del beneficio
de rocas de apatitas y contienen cerca de 30% de Al2O3 ; 20% de
Na2O+K2O ; 40-45% de SiO2 ; 2-4% de CaO y 2-4% de Fe2O3. Alunitas:
Las alunitas contienen 20-21% Al2O3 ; 4.5-5% de Na2O+K2O ; 22-23%
de SO3 ; 4142% de SiO2 ; 4-5% de Fe2O3 y 6-7% de H2O. Caolines. El
xido deshidratado del aluminio tiene una temperatura de fusin de
2050 oC y de ebullicin de 2980 oC sin descomposicin, resulta una
sustancia muy estable. La reduccin del xido a aluminio resulta
imposible con carbono o con monxido de carbono ya que este proceso
lleva a la formacin de carburos (Al4C3). Tampoco se logra obtener
aluminio por disolucin acuosa de sales, ya que en el ctodo se
desprende solo hidrgeno. Por eso, el aluminio se obtiene por
electrlisis, a partir de la almina disuelta en criolita (Na3AlF6)
fundida, la que a su vez se produce usando fluorita (CaF2), el
hidrxido de aluminio, el carbonato sdico y el cido sulfrico. El bao
electroltico se compone de una caja de acero recubierta
interiormente con ladrillos termo aislantes, el fondo de la caja
est recubierto de bloques de carbn conductor y que sirven como uno
de los electrodos (ctodo). Afinacin del aluminio. El aluminio
obtenido de las cubas de electrlisis de la almina contiene cierta
cantidad de impurezas, almina, criolita y gases, por lo que para
obtener aluminio de alta pureza (99.8599.9%) se someten a un
proceso de afinacin. Hay dos vas principales de afinar el
aluminio:
1. La clorinacin: Por este mtodo se insufla cloro a la masa de
aluminio fundido a temperatura de entre 750-770oC, durante unos
10-15 minutos. Durante la insuflacin las impurezas reaccionan con
el cloro y se separan del aluminio, aunque una parte (1%) del
aluminio reacciona tambin y se separa, produciendo prdidas del
material. 2. La afinacin electroltica: Para afinar el aluminio por
el mtodo electroltico, las barras de aluminio impuro se colocan
como nodos en un bao de sales de cloro y flor y este se descarga a
pureza muy elevada en ctodos hechos de aluminio puro. El paso final
es la produccin de aluminio metlico por algn proceso electroltico
desde la reduccin de almina con carbn, pero esta es slo posible a
altas temperaturas y la reaccin inversa ocurre sobre el
enfriamiento. Por la qumica del aluminio, el medio electroltico no
puede ser agua; de hecho, casi toda la produccin comercial del
aluminio durante los ltimos 90 aos ha sido un medio de criolita
fundida, Na3AlF6 Los pasos que siguen en la produccin de aluminio
metlico son: Se instala o se reemplaza el recubrimiento de la celda
3 Se manufacturan los nodos de carbono y se usan en la celda Se
prepara el bao de criolita y se controla su composicin Se disuelve
la almina en el bao de criolita fundida La solucin de aluminio en
la criolita fundida es electrolizada para formar aluminio metlico,
que sirve como ctodo. El electrodo de carbono es oxidado por el
oxigeno liberado El aluminio fundido se extrae de las celdas,
aleado (si se desea), fundido en lingotes y enfriado.
PROCESOS ALTERNOS DE PRODUCCION
Debido a la gran cantidad de energa elctrica utilizada en la
preparacin del aluminio, se estn buscando activamente sistemas
menos intensos para su preparacin, pero todava ninguno de ellos se
encuentra en uso a gran escala. Una atencin cuidadosa a los
detalles de manufactura a reducido la energa requerida por el
proceso Hall-Heroult en un 20%, pero se desea una reduccin mayor.
PROPIEDADES DEL ALUMINIO
1. Propiedades Fsicas El aluminio comercialmente puro (riqueza
no inferior al 99%) posee las caractersticas siguientes: Densidad:
2.7 Coeficiente de dilatacin lineal entre 20 y 100 C:24 X100 Punto
de fusin: 658 C Punto de ebullicin: 2.450 C
Conductibilidad trmica cal.cm7cm2 8C: .5 Resistencia trmica
especifica cm]: 2.6
2. Propiedades Mecnicas Modulo de elasticidad: 6.700kg7mm2
Modulo de torsin: 2.700kg7mm2 Recocido: 8kg7mm2 Carga de rotura
agrio: 18kg7mm2 Recocido 20 brinell dureza agrio 47 brinell
recocido 35% Alargamiento duro 5%.
3. Propiedades Qumicas El aluminio posee una gran afinidad por
el oxigeno recubrindose espontneamente de una delgada capa de oxido
que lo protege del exterior. El aluminio ocupa en la serie
electroqumica de metales una posicin que le confiere un marcado
carcter electronegativo frente a la mayora de los metales
industriales, concretamente el hierro y el cobre, por lo que es
posible la corrosin en presencia de la humedad sino toman las
precauciones necesarias. El aluminio es sensible a la accin de los
componentes alcalinos (soscarbonato, cementos, etc.) de los
derivados sulfurados en general de diversos compuestos orgnicos e
inorgnicos. ALEACIONES El aluminio se utiliza principalmente en
forma de aleaciones de aluminio puro combinado con otros elementos,
con el fin de mejorar las propiedades mecnicas del metal,
aumentando en especial la resistencia mecnica y la resistencia a la
corrosin.
SISTEMA DE ALUMIO - COBRE La adicin de cobre al aluminio aumenta
la colabilidad y tambin la resistencia de a traccin, a expensas de
la ductilidad. Las aleaciones de aluminio-cobre forman, a 547 oC,
un eutctico que contiene 33% de cobre, y est integrado por la fase
aluminio alfa y una fase tetragonal centrada con 52,5% de cobre:
CuAl2. El aluminio retiene 4,1% de cobre en disolucin solida, a 500
oC, y solamente 0,45% a 300 oC.
SISTEMA ALUMINIO SILICIO Las aleaciones de aluminio-silicio cada
da se emplean mas por sus magnificas propiedades de moldeo,
resistencia a la corrosin, inclusive del agua del mar y facilidad
de soldadura. El aluminio-silicio forma un diagrama eutctico, sin
fases intermedias y con una pequea solubilidad solida. El eutctico
aparece a 577 oC con 11,7% de silicio y esta formado por cristales
relativamente grandes de la disolucin solida rica en silicio,
disperso en una matriz continua de la fase solida beta.
SISTEMA ALUMINIO ZINC El aluminio disuelve 31,6% de zinc, a 275
oC y la solubilidad desciende a un valor inferior al 10% a
temperatura ambiente. Las aleaciones binarias de aluminio y zinc,
en cuanto se aproximan al 20% de zinc, son frgiles en caliente, por
formarse, a temperatura superior a 256 o C , el compuesto al 2Zn3,
por lo que casi no se emplean. Una aleacin muy usada para piezas
moldeadas, en general, contienen 5,5% de zinc, 0,6% de magnesio y
0,5% de cromo.
SISTEMA ALUMINIO MAGNESIO Estas aleaciones son ms ligeras que el
Al, poseen buenas propiedades fsicas, excelente resistencia a la
corrosin y se mecanizan con facilidad. Hasta el 17,4% de Mg, la
solidificacin se produce con formacin de una disolucin solida de Mg
en Al, la solubilidad solida disminuye rpidamente al descender la
temperatura y se separa la fase beta, que se supone es Mg 5 Al 8,
que posee propiedades de endurecimiento. El solbus pasa por los
puntos: 400 oC con 12,5% Mg, 300 oC con 6,8%, y 200 oC con 3,1%. El
eutctico contiene 33% de Mg y est formado por dos disoluciones
solidas: primaria y secundaria, con 34,5% de Mg de estructura
hexagonal.
SISTEMA ALUMNIO HIERRO Un aspecto importante de esta serie de
aleaciones es la adicin controlada de hierro que se haba
considerado como una impureza perjudicial para el aluminio, y el
empleo del titanio para el afino del tamao del grano y para limpiar
la aleacin.
TRATAMIENTOS TERMICOS PARA ALEACIONES Envejecimiento
Artificial.
Si se realiza la operacin de envejecimiento, en cuanto tiempo y
temperatura, de tal manera que la fase expulsada se precipite en
partculas de dimensiones criticas, continuaran los efectos de
endurecido por envejecimiento. En cuanto se sobrepasan esas
dimensiones crticas, la variacin de las propiedades mecnicas varan
de sentido: sobre-envejecimiento.
Ciclos tpicos de Tratamientos Trmicos.
Las aleaciones de aluminio se someten al tratamiento de recocido
para eliminar tensiones internas y, por tanto, para disminuir la
dureza. Se sabe que muchas aleaciones frreas y no frreas
hipertempladas desde una temperatura relativamente elevada aumentan
su dureza por subsiguiente permanencia a temperatura ambiente, y el
fenmeno se denomina endurecimiento por envejecimiento natural.
Aplicaciones Industriales
EL DURALUMINIO
La primera aleacin endurecida por envejecimiento fue el
Duraluminio que es una aleacin de aluminio que contiene,
principalmente 4,5% de Cu. La aviacin y la industria del transporte
necesitan de aleaciones ligeras cuyas resistencias a traccin sean
comparables a la del acero, que tengan lmites de fluencia, por
traccin y compresin. La primitiva aleacin del duraluminio 17S
(duraluminio americano), con una composicin de 95% Al, 4% Cu, 0,5%
Mg, 0,5% Mn. T6 51 Alumold 500 es un duraluminio de alta
resistencia aleado al zinc, considerado como una aleacin de ltima
generacin despus del duraluminio tradicional 7075 y duraluminios de
segunda generacin como el 7010 y 7050. Gracias a su bajo peso, su
excelente maquinabilidad y sus propiedades mecnicas, lo hace un
material capaz de reemplazar al acero en aplicaciones que requieran
un combinacin adecuada de estas propiedades. Complementadas con
resistencia a la corrosin y brillo como en el caso de los moldes de
inyeccin de plsticos y placas de soporte de troqueles
progresivos.
APLICACIONES Las principales reas de aplicacin de Alumold 500
son: Moldes de inyeccin Termoformado y soplado de termoplsticos
Elementos estructurales de maquinaria Placas de calentamiento
Partes de maquinaria para la industria farmacutica (blisteadoras)
Elementos de ingeniera mecnica
Propiedades Mecnicas.
Propiedades Fsicas
MECANIZADO
Por fragmentacin de viruta
Por electroerosin: El proceso EDM tanto de penetracin como de
corte por hilo ofrece buenos resultados con el Alumold 500. Este
proceso es hasta 8 veces ms rpido que para el acero. Penetracin: Se
recomienda reducir la velocidad de la maquina en el acabado que
permite afinar el grano y la superficie fina Corte por hilo: Se
sugieren las siguiente condiciones de mecanizado * Rectificado: e
puede realizar con las siguientes condiciones: Rueda abrasiva:
dime. 400x50x127 tipo 87 A 47H8V217 Velocidad:30 m/s Lubricante
tipo V 915M Filtro tipo III/40
PAISES PRODUCTORES DE ALUMINIO
BIBLIOGRAFIA
www.world-aluminium.org/Statistics/Historic al/statistics JIMENO
MORRAL Metales y Tratamientos.
