10/12/2015

CIENCIA DE MATERIALES – “EL ALUMINIO”

1. Definición

Este elemento químico es un metal que está presente en grandes cantidades en

nuestro planeta. Sus componentes se encuentran en los animales, las plantas y

las piedras, por ejemplo.

El aluminio, cuyo símbolo es AL, es empleado en numerosos sectores de la

industria gracias a sus propiedades. Su tenacidad, maleabilidad y ductilidad lo

convierten en un material muy apreciado para la fabricación de diversos tipos de

productos. Su apariencia, que lo asemeja a la plata, también permite crear

elementos o revestimientos decorativos.

Entre las propiedades más apreciadas del aluminio, se destacan su capacidad

para conducir la corriente eléctrica y su fortaleza para resistir el desgaste. Por

otra parte, resulta un material económico en comparación con otros metales.

Aparte de estas, tiene muchas más propiedades que lo hace irresistible para más

de una industria; además de su ya mencionada capacidad de conservar sus

cualidades una vez reciclado, se destaca por sus propiedades químicas y

mecánicas.

PROPIEDADES QUÍMICAS

Información atómica

• Nombre: aluminio

• Símbolo: Al

• Número atómico: 13

• Grupo del sistema periódico: Grupo 13 • Valencia: 3

• Estado de oxidación: +3

• Electronegatividad: 1,5

• Radio atómico: 1,43 Å

• Radio covalente: 1,18 Å

• Radio iónico: 0,50 Å

• Estructura cristalina: cúbica centrada en las caras (CCC), con lados de

longitud 4,0495 Å

• Configuración electrónica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1, o bien, [Ne] 3s2p1

• Primer potencial de ionización: 6,00 eV

• Masa atómica: 26,9815 g/mol.

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Otras propiedades (densidad, punto de fusión...)

• Densidad: 2,70 g/cm3 a 20 ºC (1,56 oz/in3 a 68 ºF)

• Punto de fusión: 660 ºC (933 K)

• Punto de ebullición: 2467 ºC

• Calor específico: 0,92 J/g K (0,22 cal/ g ºC)

• Calor latente de fusión: 395·103 J/kg

• Calor latente de ebullición: 9220·103 J/kg

• Conductividad eléctrica: 37,8·106 S/m (siemens por metro)

• Conductividad térmica: 209-230 W/m · K

• Coeficiente de dilatación lineal: 2,4·10-5 ºC-1

Propiedades mecánicas

Resistencia mecánica

Las características mecánicas del aluminio varían considerablemente

dependiendo del tipo de aleación que se esté considerando.

En la siguiente tabla se muestran los valores de la carga de rotura (N/mm2), el

límite elástico (N/mm2), el alargamiento en la rotura (en %) y la dureza Brinell

para las aleaciones de aluminio más comunes:

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Tabla. Carga de rotura, límite elástico, alargamiento y dureza de las aleaciones de

aluminio

En la siguiente figura ilustrativa se muestra cómo varía el límite elástico, que

es la tensión para la cual se alcanza una deformación del 0,2% en la pieza

ensayada según el ensayo de tracción. Los resultados se muestran para las

diferentes aleaciones de aluminio:

Figura 2. Límite elástico (N/mm2) de las aleaciones de aluminio

En esta otra figura se muestra la variación de la carga de rotura en el ensayo

de tracción para cada tipo de aleación:

Figura 3. Carga de rotura (N/mm2) de las aleaciones de aluminio

Por otro lado, la resistencia a cizallamiento es un valor importante a tener en

cuenta para calcular la fuerza necesaria para el corte, así como para

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determinadas construcciones. No existen valores normalizados a este respecto,

pero generalmente es un valor que está entre el 55 y 80 % de la resistencia a la

tracción.

Por último, en la siguiente tabla se muestran los valores del alargamiento de

la pieza que se alcanza en el ensayo de tracción, justo antes de producirse la

rotura de la pieza:

Figura 4. Alargamiento en el ensayo de tracción para las aleaciones de aluminio

Módulo de elasticidad longitudinal o Módulo de Young

El módulo de elasticidad longitudinal o módulo de Young (E) relaciona la

tensión aplicada a una pieza según una dirección con la deformación originada

en esa misma dirección, y siempre considerando un comportamiento elástico en

la pieza.

Para las aleaciones de aluminio, el módulo de elasticidad longitudinal, E,

tiene el siguiente valor:

E= 70.000 MPa (70.000 N/mm2)

Módulo de elasticidad transversal

El módulo de elasticidad transversal, módulo de cortante o también llamado

módulo de cizalla, G, para la mayoría de los materiales, y en concreto para los

materiales isótropos, guarda una relación fija con el módulo de elasticidad

longitudinal (E) y el coeficiente de Poisson (ν), según la siguiente expresión:

G =

E

2 x ( 1 + ν )

En la siguiente tabla se indica los valores para el Módulo de elasticidad

transversal, G, para distintos materiales, además de para el aluminio:

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Material G (MPa)

Acero 81.000

Aluminio 26.300

Bronce 41.000

Cobre 42.500

Fundición Gris (4.5 %C) 41.000

Hierro Colado < 65.000

Hierro Forjado 73.000

Latón 39.200

Tabla 3. Módulo de elasticidad transversal, G

Coeficiente de Poisson

El coeficiente de Poisson (ν) corresponde a la razón entre la elongación

longitudinal y la deformación transversal en el ensayo de tracción.

Alternativamente el coeficiente de Poisson puede calcularse a partir de los

módulos de elasticidad longitudinal y transversal, según la expresión siguiente:

ν =

E -

————— 1

2 x G

Para el aluminio aleado, toma el siguiente valor:

ν = 0,33

Como en el caso anterior, las expresiones arriba indicadas del coeficiente de

Poisson, n, son valores constantes siempre dentro del rango de comportamiento

elástico del aluminio.

Dureza Brinell

La dureza es una propiedad que mide la capacidad de resistencia que ofrecen

los materiales a procesos de abrasión, desgaste, penetración o de rallado. Para

medir la dureza de un material se emplea un tipo de ensayo consistente en

calibrar la resistencia de un material a la penetración de un punzón o una cuchilla

que se usa como indentador. Este indentador usualmente consta en su extremo,

o bien de una esfera, o bien de una pieza en forma de pirámide, o en forma de

cono y que está compuesto de un material mucho más duro que el material que

se está midiendo. La profundidad de la entalla que se produce en el material al

ser rallado por este penetrador nos dará una medida de su dureza.

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Existen varios métodos para calibrar la dureza de un material, siendo el

método Brinell y el método Rockwell los más comunes.

El método Brinell (ASTM E10) es un tipo de ensayo utilizado para calcular

la dureza de los materiales. Consiste en una esfera de 10 mm de diámetro,

usualmente de un acero endurecido, que se presiona contra la superficie del

material objeto de estudio bajo una carga estática de 3.000 kg. El tamaño de la

huella nos proporcionará una medida de la dureza, denominada dureza Brinell,

bajo estas condiciones del ensayo.

En la siguiente tabla se muestran los valores de dureza Brinell que alcanzan

las distintas aleaciones de aluminio, junto con los datos de la carga de rotura

(N/mm2), el límite elástico (N/mm2) y el alargamiento en la rotura (en %):

Tabla 2. Carga de rotura, límite elástico, alargamiento y dureza de las aleaciones de

aluminio

En la siguiente figura se muestra cómo varía la dureza Brinell para las

distintas aleaciones de aluminio:

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Figura 5. Dureza Brinell (HB) para las aleaciones de aluminio

2. Historia

La Historia del aluminio. Entre 1827 y 1845, el químico alemán Friedrich

Wohler mejoró el proceso de Oersted utilizando potásico metálico y cloruro de

aluminio. Friedrich fue el primero en medir la densidad del aluminio y

demostrar su ligereza. En 1845, Henri Sainte-Claire Deville obtuvo el metal en

Francia reduciendo cloruro de aluminio con sodio. Con el apoyo financiero de

Napoleón III, Deville estableció una planta experimental a gran escala, y en la

exposición de París de 1855 exhibió el aluminio puro.

3. Aleaciones

Las aleaciones de aluminio son aleaciones obtenidas a partir de aluminio y

otros elementos(generalmente cobre, zinc, manganeso, magnesio o silicio). Forman

parte de las llamadas aleaciones ligeras, con una densidad mucho menor que los aceros,

pero no tan resistentes a la corrosión como el aluminio puro, que forma en su superficie

una capa de óxido de aluminio (alúmina). Las aleaciones de aluminio tienen como

principal objetivo mejorar la dureza y resistencia del aluminio, que es en estado puro un

metal muy blando.

La corrosión galvánica se produce rápidamente en las aleaciones de aluminio cuando

entran en contacto eléctrico con acero inoxidable u otras aleaciones con mayor

electronegatividad en un ambiente húmedo, por lo que si se usan conjuntamente deben

ser adecuadamente aisladas.

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Aportaciones de los elementos aleantes

Los principales elementos de aleación del aluminio son los siguientes y se enumeran las

ventajas que proporcionan.

Cromo (Cr) Aumenta la resistencia mecánica cuando está combinado con otros

elementos Cu, Mn, Mg.

Cobre (Cu) Incrementa las propiedades mecánicas pero reduce la resistencia a la

corrosión.

Hierro (Fe). Aumenta la resistencia mecánica.

Magnesio (Mg) Tiene una gran resistencia tras el conformado en frío.

Manganeso (Mn) Incrementa las propiedades mecánicas y reduce la calidad de

embutición.

Silicio (Si) Combinado con magnesio (Mg), tiene mayor resistencia mecánica.

Titanio (Ti) Aumenta la resistencia mecánica.

Zinc (Zn) Aumenta la resistencia a la corrosión.

Escandio (Sc) Mejora la soldadura

Las aleaciones de aluminio forjado se dividen en dos grandes grupos, las que no reciben

tratamiento térmico y las que reciben tratamiento térmico.

Aleaciones de aluminio forjado sin tratamiento térmico

Las aleaciones que no reciben tratamiento térmico solamente pueden ser trabajadas en

frío para aumentar su resistencia. Hay tres grupos principales de estas aleaciones según

la norma AISI-SAE que son los siguientes:

Aleaciones 1xxx. Son aleaciones de aluminio técnicamente puro, al 99,9% siendo

sus principales impurezas el hierro y el silicio como elemento aleante. Se les aporta

un 0.1% de cobre para aumentar su resistencia. Tienen una resistencia aproximada

de 90 MPa. Se utilizan principalmente para trabajos de laminados en frío.

Aleaciones 3 xxx. El elemento aleante principal de este grupo de aleaciones es el

manganeso (Mn) que está presente en un 1,2% y tiene como objetivo reforzar al

aluminio. Tienen una resistencia aproximada de 16 ksi (110MPa) en condiciones de

recocido. Se utilizan en componentes que exijan buena maquinabilidad.

Aleaciones 5xxx. En este grupo de aleaciones es el magnesio es el principal

componente aleante su aporte varía del 2 al 5%. Esta aleación se utiliza cuando para

conseguir reforzamiento en solución sólida. Tiene una resistencia aproximada de 28

ksi (193MPa) en condiciones de recocido.

Aleaciones de aluminio forjado con tratamiento térmico

Algunas aleaciones pueden reforzarse mediante tratamiento térmico en un proceso de

precipitación. El nivel de tratamiento térmico de una aleación se representa mediante la

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letra T seguida de un número por ejemplo T5. Hay tres grupos principales de este tipo

de aleaciones.

Aleaciones 2xxx: El principal aleante de este grupo de aleaciones es el cobre (Cu),

aunque también contienen magnesio Mg. Estas aleaciones con un tratamiento T6

tiene una resistencia a la tracción aproximada de 64ksi (442 MPa) y se utiliza en la

fabricación de estructuras de aviones, concretamente en la parte inferior y en el

fuselaje donde se precisa de una gran tenacidad a fractura además de buena

resistencia.

Aleaciones 6xxx. Los principales elementos aleantes de este grupo son magnesio y

silicio. Con unas condiciones de tratamiento térmico T6 alcanza una resistencia a la

tracción de 42 ksi (290MPa) y es utilizada para perfiles y estructuras en general.

Aleaciones 7xxx. Los principales aleantes de este grupo de aleaciones son zinc,

magnesio y cobre. Con un tratamiento T6 tiene una resistencia a la tracción

aproximada de 73ksi(504MPa) y se utiliza para fabricar estructuras de aviones,

concretamente la parte superior de las alas en las que se precisa una gran resistencia.

También se usa en aplicaciones deportivas de alto nivel, concretamente en bastones

de esquí usados en competición, siendo la aleación 7075 la más usada debido a su

ligereza y buena flexibilidad aún a bajas temperaturas.

Aleaciones de aluminio maleable

Aluminio puro (o pureza), aluminio purísimo, AlFeSi.

Aleaciones de AlMn maleables.

Aleaciones de AlMg y de AlMgMn maleables.

Aleaciones de AlMgSi maleables.

Aleaciones de AlCuMg y AlCuSiMn maleables.

Aleaciones de AlZnMg maleables.

Aleaciones de AlZnMgCu maleables.

Aleaciones con plomo maleables: para mejorar el mecanizado, a las aleaciones tipo

AlCuMgPb y AlMgSiPb contienen pequeñas adiciones de plomo y en algunos casos

de cadmio, bismuto y estaño. Estos elementos se presentan como fases separadas en

la estructura que permite la formación de virutas cortas durante el mecanizado.

Estas aleaciones no deben contener magnesio, pues se formaría una fase de

Mg3Bi2 que es muy frágil.

Aleaciones con litio maleables: las aleaciones de aluminio y litio se caracterizan

por su baja densidad, lo que supone buenas propiedades mecánicas frente a la masa.

En la mayoría de los casos se trata de aleaciones con otros elementos, como la

AlCuLi (2020). Estas aleaciones tienen problemas de fragilidad que hacen que

requieran otros aleantes y condiciones de fabricación especiales (pulvimetalurgia), y

tienen aplicación comercial en el campo aeroespacial.

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4. Aplicaciones

En la industria química el aluminio y sus aleaciones se utilizan para fabricar tubos,

recipientes y aparatos. Un volumen dado de aluminio pesa menos que 1/3 del mismo

volumen de acero. Los únicos metales más ligeros son el litio, el berilio y el magnesio.

Debido a su elevada proporción resistencia-peso es muy útil para construir aviones,

vagones ferroviarios y automóviles, y para otras aplicaciones en las que es importante la

movilidad y la conservación de energía. Por su elevada conductividad térmica, el

aluminio se emplea en utensilios de cocina y en pistones de motores de combustión

interna. Solamente presenta un 63% de la conductividad eléctrica del cobre para

alambres de un tamaño dado, pero pesa menos de la mitad. Un alambre de aluminio de

conductividad comparable a un alambre de cobre es más grueso, pero sigue siendo más

ligero que el de cobre. El peso tiene mucha importancia en la transmisión de

electricidad de alto voltaje a larga distancia, y actualmente se usan conductores de

aluminio para transmitir electricidad a 700.000 voltios o más. El metal es cada vez más

importante en arquitectura, tanto con propósitos estructurales como ornamentales. Las

tablas, las contraventanas y las láminas de aluminio constituyen excelentes aislantes. Se

utiliza también en reactores nucleares a baja temperatura porque absorbe relativamente

pocos neutrones. Con el frío, el aluminio se hace más resistente, por lo que se usa a

temperaturas criogénicas. El papel de aluminio de 0,018 cm de espesor, actualmente

muy utilizado en usos domésticos, protege los alimentos y otros productos perecederos.

Debido a su poco peso, a que se moldea fácilmente y a su compatibilidad con comidas y

bebidas, el aluminio se usa mucho en contenedores, envoltorios flexibles, y botellas y

latas de fácil apertura. El reciclado de dichos recipientes es una medida de conservación

de la energía cada vez más importante. La resistencia a la corrosión al agua del mar del

aluminio también lo hace útil para fabricar cascos de barco y otros mecanismos

acuáticos. Se puede preparar una amplia gama de aleaciones recubridoras y aleaciones

forjadas que proporcionen al metal más fuerza y resistencia a la corrosión o a las

temperaturas elevadas. Algunas de las nuevas aleaciones pueden utilizarse como

planchas de blindaje para tanques y otros vehículos militares.

OBTENCION ELECTROLITICA DEL ALUMINIO. Para la extracción del aluminio

de sus minerales se utiliza el método electrolitico y se emplea para ello un horno

eléctrico en el cual se introduce una de minerales. Cuando la masa se funde se hace

pasar una corriente eléctrica por un ánodo de carbón siento el cátodo una placa de

Hierro. Por efecto de la corriente la bauxita se descompone, el oxigeno se descompone

en el ánodo y el aluminio fundido se acumula en el fondo de la cuba o cátodo de donde

se lo extrae. “ La bauxita (Al2O3.xH2O) molida con NaOH (Conc.) se convierte en

Na[Al(OH)4] soluble. La acidificación con CO2 precipita bauxita pura que al

deshidratarse forma Al2O3; añadiendo un fundente, criolita, Na3[AlF6], la electrolisis

se lleva a cabo a 1000º C con electrodos de carbono. Alternativamente y con menor

consumo de energía se hace reaccionar la bauxita con Cl2, obteniendo AlCl3, que,

fundido, se electroliza para obtener Al y Cl2.”

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Cuestiones

1. ¿Qué beneficios trae al medio ambiente su reciclaje?

Reciclar es uno de los procesos más importantes para contribuir al cuidado del planeta y

ha abierto nuevas oportunidades de negocio. A continuación, daremos cinco beneficios

del reciclaje:

• Conservación de recursos naturales: La producción del aluminio

primario utiliza diversos elementos naturales: bauxita, carbón, gas natural, petróleo

crudo, entre otros. Por cada tonelada de aluminio tirada a la basura es necesario extraer

cuatro toneladas de bauxita. La industria del reciclaje del aluminio contribuye a la

conservación de éste y todos los elementos al no necesitarlos nuevamente para su

producción.

• Reducción en la contaminación de suelos y aguas: El proceso de producción

para la transformación de elementos vírgenes en metal consume grandes cantidades de

energía y genera residuos que contaminan suelo y agua, mismos que se evitan por

completo al reciclar el aluminio.

• Ahorro de energía: Se ahorra aproximadamente el 95% de energía al producir

aluminio reciclado en comparación con la utilizada durante la producción de aluminio

primario.

• Reducción en las emisiones de CO2: El proceso de reciclado produce

únicamente el 5% de dióxido de carbono comparado con el que se genera durante la

producción de aluminio primario, a este porcentaje se le suma también el ahorro de

emisiones durante el ciclo de extracción y transportación a la planta productora.

• Eliminar residuos: La basura generada por industrias, comercios y personas es

acumulada en depósitos que dañan al medio ambiente. La recolección y reutilización de

residuos metálicos contribuye a reducir grandes cantidades de desechos que de no ser

reutilizados tardarían más de 500 años en desintegrarse.

2. ¿Qué objetos pueden ser reciclados?

Las fuentes de las que se toma el aluminio para su posterior reciclaje

incluyen aeronaves, automóviles, bicicletas, botes, ordenadores, material

de menaje, canalones, frisos, cables, y otros muchos productos que requieren un

material ligero pero fuerte, o un material con alta conductividad térmica. Ya que el

reciclaje no daña la estructura del metal, el aluminio puede ser reciclado

indefinidamente y ser usado para producir cualquier producto que hubiera necesitado

aluminio nuevo.

3. ¿Cuál es la mejor manera de acoplarlas?

Por ejemplo, las latas de aluminio son uno de los mejores materiales a la hora de hacer

artesanías. Son baratas, robustas y resistentes al agua. La superficie se puede pintar,

taladrar, aplastar y cortar. El aluminio puede está hecho de dos partes, la tapa y el

cuerpo de la lata. Ambas piezas se pueden utilizar en proyectos de artesanías. Las latas

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se pueden unir con adhesivo industrial artesanal para crear herramientas de juego. Un

aeroplano hecho con una lata de refresco es un ejemplo clásico de lo que puedes crear.