Magnesio y aleaciones de magnesio

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TEMA 3: Aliatges no frrics

Lalumini i els seus aliatges

El magnesi i els seus aliatges

El titani i els seus aliatges

El coure i els seus aliatges

Altres aliatges no frrics

Magnesio y aleaciones de magnesioPropiedadesdelmagnesio

Densidad 1.74 g.cm-3 (la menor de los metales estructurales, acer 7,9 g.cm-3

Estructura HC poco deformable

Aleaciones poco estables y muy susceptibles a la corrosin marina, pero

razonablemente resistentes en cond. Atm. Normales

El polvo de Mg arde facilmente al calentarlo al aire

Resistencia mecnica y a corrosin similares a las del Al

Mejor maquinabilidad y moldeabilidad que el Al y menor densidad

Escasa resistencia a fatiga, termofluencia y desgaste

Aleantes: Al, Zn, Mn y algunas tierras raras

APLICACIONES: partes estructurales de aviones, misiles, maletas, ruedas

de automvil

Magnesio y aleaciones de magnesio

Metalesligeros Metalespesados

PROPIEDAD UNIDADES Magnesio Aluminio Titanio Zinc Hierro Cobre

Redcristalina

HC CCC CCHC

HC CCCCCCC

CCC

Densidad, gcm3 1,74 2,70 4,54 7,13 7,87 8,96Puntodefusin,Tf C 650 660 1660 420 1535 1083

Puntodeebullicin,Te C 1090 2467 3287 906 2750 2310

Calorespecfico cal(gC)1 0,245 0,215 0,124 0,38 0,11 0,09

Coef.dilatacin, x106mm1 26 23,5 8,9 29,8 12 17Conductividadtrmica, W(mK)1 146 238 17 113 71 387Conductividadelctrica,e %IACS 38 64 4 28 17,5 100Resistividadelctrica, cm 4,45 2,65 42 5,9 9,7 1,69Potencialelectroqumico V 2,3 1,7 1,6 0,7 0,4 +0,34

RelacinPillingBedworth 0,8 1,3 1,75 1,6 2,2 1,6

Resistenciaalacorrosin MRBE Mala Buena Excelente Buena Regular Buena

Mduloelstico,E(1) GPa 45 70 120 85 200 150

Resistenciaatraccin,R(1) MPa 400 700 1400 380 1600 1460Tenacidadafractura,KIC(1) MPam1/2 18 45 115 24 214 100

Mduloespecfico,E1 GPa(kgm3)1 25,8 25,9 26,4 12 25,4 16,7Resistenciaespecfica,R1 MPa(kgm3)1 230 259 308 53 203 163Contenidoenlacortezaterrestre %enpeso 2,3 8,2 0,6 0,007 5,8 0,001

Preciorelativo(2) 1,3 1 3,2 0,9 0,2 3,5

(1)Las propiedades mecnicas vienen referidas a aleaciones, no a metales puros.(2) Precios relativos al aluminio, referidos a octubre de 2010. (1,68 EUR/kg Al. Fuente= LME)

Para el Mg no aleado: Colado en arena: Rm = 100 MPa 120 MPa ; A = 6%Extruido: Rm = 180 MPa 220 MPa ; A = 8 % 10 %

Magnesio y aleaciones de magnesioPrincipalesmineralesdeMgysuobtencin

Dolomia (CO3Mg, CO3Ca) abundante Magnesita o Giobertita (CO3Mg) abundante Carnalita (KCl, MgCl26H2O) abundante Agua de mar 1 m3 de agua de mar contiene 1,3 kg de magnesio Magnesia (MgO) poco abundante Kieseterita (SO4MgH2O) poco abundante

Dolomia (CO3Mg, CO3Ca) abundante Magnesita o Giobertita (CO3Mg) abundante Carnalita (KCl, MgCl26H2O) abundante Agua de mar 1 m3 de agua de mar contiene 1,3 kg de magnesio Magnesia (MgO) poco abundante Kieseterita (SO4MgH2O) poco abundante

Calcinacin. Calentamiento de MgCO3 para producir MgO y su reduccin posterior con C para separar el O del Mg.

Proceso de reduccin trmica (proceso Pidgeon) Calentamiento al vaco de una mezcla de polvos de ferrosilicio y de MgO. A temperaturas superiores a los

1100 C se obtiene vapor de Mg, que posteriormente se condensa.

Proceso electroltico (proceso Dow): electrolisis del MgCl2 Procedimientos para producir MgCl2 anhidro:

1. Deshidratacin del MgCl26H2O (obtenido de las salmueras marinas o terrestres)

2. Cloruracin de la magnesia, obtenida de carbonatos de magnesio

3. A partir del agua de mar

Calcinacin. Calentamiento de MgCO3 para producir MgO y su reduccin posterior con C para separar el O del Mg.

Proceso de reduccin trmica (proceso Pidgeon) Calentamiento al vaco de una mezcla de polvos de ferrosilicio y de MgO. A temperaturas superiores a los

1100 C se obtiene vapor de Mg, que posteriormente se condensa.

Proceso electroltico (proceso Dow): electrolisis del MgCl2 Procedimientos para producir MgCl2 anhidro:

1. Deshidratacin del MgCl26H2O (obtenido de las salmueras marinas o terrestres)

2. Cloruracin de la magnesia, obtenida de carbonatos de magnesio

3. A partir del agua de mar

Refino del magnesio obtenido por los mtodos anteriores (refusin) Impurezas frecuentes: Al, Mn, Si, Cu, Fe, Ni

Refino del magnesio obtenido por los mtodos anteriores (refusin) Impurezas frecuentes: Al, Mn, Si, Cu, Fe, Ni

Magnesio y aleaciones de magnesioProduccindemagnesio

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

1

10

100

1000p

r

o

d

u

c

c

i

n

/

x

1

0

3

t

o

n

e

l

a

d

a

s

ao

USA Brasil Canad China Francia Israel Kazakihstan Noruega Rsia Ucrania Serbia TOTAL

Francia

Noruega

Canad: cierre planta Norsk Magnesium

Magnesio y aleaciones de magnesioPreciodelmagnesio

Magnesio y aleaciones de magnesioAplicacionesdelmagnesio

Como elemento de aleacin en las aleaciones base Al.

En aleaciones de moldeo

En aleaciones de forja

Para la desulfuracin en la fabricacin de aceros, Ni y Cu

En la produccin de la fundicin nodular

Para la fabricacin de nodos de sacrificio

Como agente reductor en la fabricacin de Be, Ti, Zr, H y V

En pirotecnia (finamente dividido en forma de polvos)

Como elemento de aleacin en las aleaciones base Al.

En aleaciones de moldeo

En aleaciones de forja

Para la desulfuracin en la fabricacin de aceros, Ni y Cu

En la produccin de la fundicin nodular

Para la fabricacin de nodos de sacrificio

Como agente reductor en la fabricacin de Be, Ti, Zr, H y V

En pirotecnia (finamente dividido en forma de polvos)

Magnesio y aleaciones de magnesioAplicacionesdelmagnesio

Material muy verstil, pero con tres graves inconvenientes:

1. Material muy electronegativo en la serie de potenciales de disolucin poca resistencia a la corrosin y tendencia a la formacin de

compuestos intermetlicos en las aleaciones.

2. Red hexagonal compacta dificultades en la deformacin

3. Baja resistencia a fluencia

Material muy verstil, pero con tres graves inconvenientes:

1. Material muy electronegativo en la serie de potenciales de disolucin poca resistencia a la corrosin y tendencia a la formacin de

compuestos intermetlicos en las aleaciones.

2. Red hexagonal compacta dificultades en la deformacin

3. Baja resistencia a fluencia

Magnesio y aleaciones de magnesioAplicaciones del magnesio

Llanta Kawasaki Penta 2 Caja de cambios

estribosCarcasa cmara video Sony

Carcasas de mviles

Carcasa de PC porttil (elevada resistencia a impacto)

Carcasas PDA

Magnesio y aleaciones de magnesioAplicaciones aeronuticas del magnesio

Boeing B707, 727, 737, 747 pequeos componentes de las alas partes de las puertas

Lockheed F-80C (1948): construccin completa en magnesio

Convair B-36 Peacemaker (1948):8600 kg de magnesio

Sikorsky S-56, Westland Aircraft Ltd (1950): 115 kg de magnesio

Magnesio y aleaciones de magnesio

Sistema Xe /% Te /C Xsm /% XnMgm Xc /%

Mg-Al 32,0 437 12,7 Al12Mg17 45

Mg-Zn 51,0 340 6,2 ZnMg 72

Mg-Ce 19,4 593 1,6 CeMg12 33

Mg-Th 41,0 582 4,7 Th6Mg23 71

Mg-Nd 33,0 552 3,6 NdMg12 35

Mg-Pr 9,1 573 0,5 PrMg12 32

Mg-Ag 48,5 471 15,5 AgMg3 55

Mg-Li 7,5 589 5,5 10

Mg-Y 26,7 567 12,0 Y5Mg24 40

Sistemas de tipo eutctico: Al, Zn, Ce, Th, Nd, Pr, Ag, Li, Y

Sistemas de tipo peritctico: Mn, Zr

Sistemas de tipo eutctico: Al, Zn, Ce, Th, Nd, Pr, Ag, Li, Y

Sistemas de tipo peritctico: Mn, Zr

Diagramas de fases

Xsm Xe Xc0

Te

+ XnMgm

L + L + XnMgm

X

n

M

g

m

X /%

T

/

C

Formacin en la mayora de aleaciones de un

precipitado de red hexagonal ordenada,

coherente con la red del magnesio.

Formacin en la mayora de aleaciones de un

precipitado de red hexagonal ordenada,

coherente con la red del magnesio.

El magnesio con pequeas cantidades de aluminio, manganeso, tierras raras, torio, zinc o circonio permite la obtencin de aleaciones con altos ratios de resistencia mecnica tanto a temperatura ambiente como a altas temperaturas.

Magnesio y aleaciones de magnesioTratamientos trmicos

Posibilidad de mejora de propiedades mediante tratamientos trmicos de bonificado.

Tratamiento de puesta en solucin en hornos con atmsfera controlada (usualmente la

mezcla CO2 + 2% SF6 o con SO2)

Posibilidad de mejora de propiedades mediante tratamientos trmicos de bonificado.

Tratamiento de puesta en solucin en hornos con atmsfera controlada (usualmente la

mezcla CO2 + 2% SF6 o con SO2)

Magnesio y aleaciones de magnesioDesignacin ASTM de las aleaciones

A Al

B Bi

C Cu

D Cd

E tierras raras (rare earth) (Ce, La, Nd, etc.)

F Fe

H Th (torio)

K Zr

L Li

M Mn

Q Ag

S Si

W Y

Y Sb (antimonio)

Z Zn

2 letras: dos principales elementos de aleacin

2 3 nmeros: cantidad de los dos elementos principales

1 letra: diferentes aleaciones con el mismo porcentaje de elementos principales

1 2 dgitos:estado metalrgico

Ejemplos:

AZ91D-T6: Mg-9Al-1Zn

AM100B-T4:Mg-10Al-0,1Mn

ZE41A-T5: Mg-4Zn-1TR

AS21A-F: Mg-2Al-1Si

Las aleaciones base magnesio se designan por dos letras

maysculas que representan los dos aleantes principales, la

primera indica elde concentracin ms alta.

Magnesio y aleaciones de magnesioAleaciones de moldeo

ASTMB93

La fusin se realiza en atmosfera protectora, usualmente se utiliza la mezcla CO2 + 2% SF6. Para las aleaciones con Y, la mezcla Ar + SF6

Magnesio y aleaciones de magnesioAleaciones de moldeo

ASTMB93

Magnesio y aleaciones de magnesioAleaciones de moldeo Mg-Al y Mg-Al-Zn

Aleacin %Al %Mn %Zn Otros AplicacionesAM60B 6,0 0,13 LlantasautomvilesAS41A 4,2 0,35 1,0%Si Crteresybloquesmotorde

automvilesAZ91D 9,0 0,15 0,7 0,001%Nimx

0,005%FemxComponentesdeautomocin,maquinariadomstica,herramientasmanuales,artculosdeportivos,.

Fundicininyectada

Aleacin %Al %Mn %Zn Otros AplicacionesAM100A 10,0 0,1 ComponentessometidosapresininternaAZ63A 6,0 0,15 3,0 Componentesmoldeadosenarenaconbuena

ductilidadyresistenciaatemperaturaambienteAZ81A 7,6 0,13 0,7 ComponentesestancosmoldeadosenarenaAZ91E 8,7 0,26 0,7 0,001%Nimx

0,005%FemxComponentesmoldeadosenarenaoencoquillaconbuenaductilidadyresistenciaatemperaturaambiente

AZ92A 9,0 0,10 2,0 Componentesmoldeadosenarenaoencoquillaysometidosapresininterna.Buenaductilidadyresistenciaatemperaturaambiente

Moldeoenarenayencoquilla

Magnesio y aleaciones de magnesioAleaciones de moldeo Mg-Al y Mg-Al-Zn

Aleacin Resistenciaatraccin/MPa Lmiteelstico0,2%/MPa Alargamientoafractura/%FundicininyectadaAM60AF 220 131 8AS41AF 214 138 6AZ91DF 234 158 3MoldeoenarenayencoquillaAM1001T6 241 117 2AZ63AT6 234 110 3AZ81AT4 234 69 7AZ91ET6 275 145 6AZ91ET4 275 90 15AZ92AT6 234 124 1

Aleacin Al/% Mn/% Zn/%AZ91 8,5 9,5 0,17 0,40 0,45 0,90AM60 5,6 6,4 0,26 0,50 0,2AM50 4,5 5,3 0,28 0,50 0,2AM20 1,7 2,5 mn 0,20 0,2

0

2

4

6

8

10

12

14

0

50

100

150

200

250

AZ91 AM60 AM50 AM20

Resistenciatraccin/Mpa Lmiteelstico/MPa Alargamiento/%

InfluenciadelcontenidodeAlenlasaleacionesinyectadasdeMg

Magnesio y aleaciones de magnesioAleaciones de moldeo Mg-Zn-Zr y Mg-TR-Zn-Zr

AleacinContenidoenmasa

T/CResistenciaatraccin/MPa

Lmiteelstico0,2%/MPa

Alargamientoafractura/%Y/% TR/%

ENMC95310(WE54)

5,0a5,5 3,0a4,0 ambiente 250 170 2

ENMC95320(WE43)

3,7a4,4 2,4a4,4

ambiente 220 170 2150 240a250 170a180 4a8200 240a260 160a180 8a14250 210a230 150a170 15a20300 150a170 110a130 30a50

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250 300 350

A

l

a

r

g

a

m

i

e

n

t

o

/

%

T

e

n

s

i

n

/

M

p

a

Temperatura/C

ENMC95320(WE43)

resistenciatraccin

lmiteelstico

alargamiento

Magnesio y aleaciones de magnesioAleaciones de magnesio de moldeo utilizadas actualmente

AlZnMn ZnTRZr AgTRZr YTRZr NdGdZnZr

AZ81 EZ33 QE22 WE43 Elektron 21(EV31)

AZ91 ZE41 EQ21 WE54

AZ92 ZE63

Al-Zn-Mn dcada de 1930 mediados de los 1980

Zn-TR-Zr finales de los 1040 finales de los 1960

Ag-TR-Zr inicio de los 1960

Y-TR-Zr finales de 1980

Elektron 21 finales de los 1990

Magnesio y aleaciones de magnesioAleaciones comunes de fundicin

AZ91:Mg9Al1Zn0.2MnAleacin generaldefundicin

Propiedades Lmite elstico:100MPa Rm: 165MPa Alargamiento: 2.5%

AE42:Mg4Al2.5REBloques motor

Propiedades Lmite elstico :145MPa Rm: 235MPa Alargamiento: 11%

Magnesio y aleaciones de magnesioAleaciones de forja

La estructura hexagonal del Mg limita la

deformacin, particularmente a temperatura

ambiente.

A temperaturas inferiores a 250 C, deslizamiento nicamente en planos basales (0002) y por maclado

(solo a compresin).

A temperaturas superiores a 250 C se activan los sistemas de deslizamiento en planos piramidales, del

tipo (1122) as como el maclado alrededor de dichos

planos deformabilidad similar a los metales CCC. Temperaturas tpicas de conformado: 350 C 500 C El laminado produce una elevada texturizacin del

material

La estructura hexagonal del Mg limita la

deformacin, particularmente a temperatura

ambiente.

A temperaturas inferiores a 250 C, deslizamiento nicamente en planos basales (0002) y por maclado

(solo a compresin).

A temperaturas superiores a 250 C se activan los sistemas de deslizamiento en planos piramidales, del

tipo (1122) as como el maclado alrededor de dichos

planos deformabilidad similar a los metales CCC. Temperaturas tpicas de conformado: 350 C 500 C El laminado produce una elevada texturizacin del

material

Magnesio y aleaciones de magnesioAleaciones de forja

ASTMB107

Magnesio y aleaciones de magnesio

Aleacin Composicin Lmiteelstico0,2%/MPa

Resistenciaatraccin/MPa

Alargamientoafractura/%

Caractersticas

M2 Mg 2Mn 160 215 4 Aleacindeextrusinparaprestacioneselevadasconbuenasoldabilidadyresistenciaalacorrosin

AZ31 Mg 3Al 1Zn 160 240 10 Aleacionesdeextrusinyforjaconbuenaresistenciamecnicayductilidad;mejoradaresistenciaalacorrosin

AZ61 Mg 6Al 2Zn 190 270 9AZ80 Mg 8Al 0,5Zn 215 300 8ZK30 Mg 3Zn 0,6Zr 215 300 9 ExcelenteforjabilidadZK60 Mg 6Zn 0,6Zr 235 315 8WE43 Mg 4Y 3TR 0,5Zr 160 260 6 Aleacionesdeextrusinyforjacon

buenaresistenciamecnicaaelevadastemperaturas

WE54 Mg 5,25Y 3,5TR 0,5Zr 205(T.amb.)175(250C)

280230

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Aleaciones de forja de magnesio para productos extruidos y de forja

Magnesio y aleaciones de magnesio

ZK60:Mg5Zn0.5Zr Ruedas dealta resistencia

Propiedades Lmite elstico:270MPa Rm: 325MPa Alargamiento: 11%

Aleaciones comunes de forja