Universidad Nacional San Luis Gonzaga de IcaEscuela de Ingeniera Qumica

ALEACIONES DE ALUMINIO IMPUREZAS

Castillo Quispe Katerin DignaQuispe silva Liset Elizabet

Introduccin

El aluminio es un elemento qumico, de smbolo Al y nmero atmico 13. Se trata de un metal no ferromagntico. 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.1 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 electrlisis. Este metal posee una combinacin de propiedades que lo hacen muy til en ingeniera de materiales, tales como su baja densidad (2700 kg/m) y su alta resistencia a la corrosin. Mediante aleaciones adecuadas se puede aumentar sensiblemente su resistencia mecnica (hasta los 690 MPa). Es buen conductor de la electricidad y del calor, se mecaniza con facilidad y es muy barato. Por todo ello es desde mediados del siglo XX2 el metal que ms se utiliza despus del a

El aluminio es un metal ligero con una densidad de 2.70 g/cm3, y por ello, aunque las aleaciones de aluminio tienen caractersticas mecnicas relativamente bajas comparadas con las del acero, su relacin resistencia-peso es excelente. Es precisamente debido a esto que el aluminio se utiliza cuando el peso es un factor importante, como ocurre en las aplicaciones aeronuticas y de automocin.

Por otra parte, el aluminio no suele presentar un lmite de resistencia a la fatiga bien definido, de modo que la fractura puede suceder incluso a niveles muy bajos. Debido a su bajo punto de fusin, el aluminio no se comporta bien a temperaturas elevadas. Finalmente, las aleaciones de aluminio tienen escasa dureza, lo que origina poca resistencia al desgaste abrasivo en ocasiones.

Aleaciones de aluminio

Lasaleaciones de aluminiosonaleacionesobtenidas a partir dealuminioy otros elementos(generalmentecobre,zinc,manganeso,magnesioosilicio). Forman parte de las llamadasaleaciones ligeras, con una densidad mucho menor que losaceros, pero no tan resistentes a la corrosin como el aluminio puro, que forma en su superficie una capa de xido de aluminio (almina). Las aleaciones de aluminio tienen como principal objetivo mejorar ladurezayresistenciadel aluminio, que es en estado puro un metal muy blando.Lacorrosin galvnicase produce rpidamente en las aleaciones de aluminio cuando entran en contacto elctrico conacero inoxidableu otras aleaciones con mayor electronegatividaden un ambiente hmedo, por lo que si se usan conjuntamente deben ser adecuadamente aisladas.Las aleaciones de aluminio pueden subdividirse en dos grandes grupos, para forja y aleaciones para fundicin, de acuerdo con el proceso de fabricacin. Las aleaciones para forja, es decir chapas, lminas, extrusin, varillas y alambres, se clasifican de acuerdo con los elementos que contengan en aleacin. Para identificar las aleaciones de aluminio se utiliza una designacin numrica de cuatro dgitos, el primero de los cuales indica el grupo de aleacin e indicando el segundo los lmites de impurezas. Los dos ltimos identifican la aleacin o indican la pureza del metal. En la tabla se recogen los diferentes grupos de aleaciones de aluminio indicndose los principales elementos de aleacin de cada uno de ellos. El grado de endurecimiento o tratamiento viene expresado por letras colocadas despus del nmero de su designacin, tal como se recoge en la tabla , por ejemplo aleacin 6061-T6.

Clasificacin por su estadoF: Estado bruto. Es el material tal como sale del proceso de fabricacin.O: Recocido. Se aplica a materiales ya sea de forja como de fundicin quehan sufrido un recocido completo.O1:Recocido a elevada temperatura y enfriamiento lento.O2:Sometido a tratamiento termomecnico.O3:Homogeneizado. Esta designacin se aplica a los alambrones y a las bandas decolada contnua, que son sometidos a un tratamiento de difisin a altatemperatura.W: Solucin tratada trmicamente. Se aplica a materiales que despus derecibir un tratamiento trmico quedan con una estructura inestable y sufrenenvejecimiento natural.H: Estado de Acritud. Viene con materiales a los que se ha realizado unendurecimiento por deformacin.H1. Endurecido por deformacin hasta otener el niveldeseado y sin tratamiento prosterior.H2. Endurecido en exceso por deformacin y recocido parcialpar recuperar suavidad sin perder dutilidad.H3. Acritud y estabilizado.H4. Acritud y lacado o pintado. Son aleaciones endurecidas en frio y que puedensufrir un cierto recocido en el tratamiento de curado de la capa de pintura o lacadada.7En sta clasificacin se usa un segundo dgito (en ocasiones es necesario untercer dgito) que indica el grado de endurecimiento por deformacin.T: Denomina a materialesque has sido endurecidos por tratamiento trmico con o sin endurecimientopor deformacin posterior.Las designaciones de W y T solo se aplican a aleaciones de aluminio ya de forja ode fundicin que sea termotratables. T1: Enfriado desde un proceso de fabricacin realizado a una elevadatemperatura y envejecido de forma natural.T2:Enfriado desde un proceso de fabricadin realizado a una alta temperatura,tragajado en fro y envejecido de forma natural.T3:Solucin tratada trmicamente, trabajada en fro y envejecida a Tamb hastaalcanzar una condicin estable.T4:Solucin tratada trmicamente y envejecida a Tamb hasta alcanzar unacondicin estable. Es un tratamiento similar a T3 pero sin el trabajo en fro.T5:Enfriado desde un proceso de fabricacin a alta temperatura y envejecidaartificialmente.T6:Solucin tratada trmicamente y envejecida artificialmente. Son designadosde esta forma los productos que despus de un proceso de conformado a altatemperatura (moldeo o extrusin) no son endurecidos en fro sino que sufren unenvejecimiento artificial.T7:Solucin tratada trmicamente y sobreenvejecida para su completaestabilizacin.T8:Trmicamente tratada por disolucin, trabajada en fro y envejecidaartificialmente.T9:Solucin tratada trmicamente, envejecida artificialmente y trabajada en fro.T10:Enfriado desde un proceso de fabricacin realizado a una elevadatemperatura, trabajado en fro y envejecido artificialmente hasta una condicinsustancialmente estable.Existen variantes del estado T, a estas variantes se les aaden a la T dos dgitos.Estos dos dgitos son especficos para cada producto y se usan para estado dealivio de tensiones en productos fabricados mediante el proceso de forja.

Lasaleaciones de aluminio para forjapueden subdividirse en dos grupos, aquellas que son tratables trmicamente y las que no lo son. Las aleaciones de aluminio para forja no tratables trmicamente no pueden ser endurecidas por precipitacin y slo pueden trabajarse en fro para aumentar su resistencia. Los tres grupos ms importantes de estas aleaciones corresponden a las familias de aluminio puro, Al-Mg y Al-Mn. En la tabla se recogen las composiciones qumicas, las propiedades mecnicas y las principales aplicaciones industriales de las aleaciones ms utilizadas.Lasaleaciones de la serie 1000tienen un contenido en aluminio mnimo del 99%, siendo las principales impurezas de Fe y Si. En la aleacin 1100 se aade hasta un 0.12% de Cu para aumentar su resistencia, 90 MPa. Se utilizan principalmente para conductores elctricos y en la obtencin de lminas muy finas.Lasaleaciones de la serie 3000tienen como elemento de aleacin principal el Mn, siendo la aleacin ms utilizada la 3003 que contiene un 1.2% de Mn que le proporciona una resistencia de 110 MPa en estado de recocido, utilizando muy frecuentemente cuando se requiere una buena trabajabilidad.Lasaleaciones de la serie 5000contienen principalmente Mg, que se adiciona por su endurecimiento por solucin slida hasta cantidades de aproximadamente un 5%, figura 13.24. Una de las alea-ciones ms importantes de esta serie es la 5052, que contiene un 2.5% de Mg y un 0.2% de Cr, que presenta, en estado de recocido, una resistencia de 193 MPa, utilizndose igualmente en forma de chapas para la industria del transporte tanto naval como terrestre.

Sin embargo, el grupo quizs ms importante de aleaciones est formado por aquellas que son tratables trmicamente, teniendo lugar el endurecimiento por precipitacin. Tales aleaciones combi-nan elementos qumicos como el Cu, Zn, Si y Mg formando las series 2000 de Al-Cu y Al-Cu-Mg, la 6000 de Al-Si-Mg y la 7000 de Al-Zn-Mg, todas ellas endurecibles por precipitacin tal como se ha expuesto en la unidad 6. En la figura 13.25 se representa esquemticamente la evolucin de la dureza en las diferentes etapas del tratamiento de envejecimiento.

Lasaleaciones de la serie 2000tienen como principal elemento de aleacin el Cu, aunque tambin contienen pequeas cantidades de Mg y algn otro elemento de aleacin. Una de las aleacio-nes ms importantes de la serie es la 2024, que contiene alrededor de un 4.5% de Cu, 1.5% de Mg y 0.6% de Mn, que endurece por la precipitacin del compuesto intermetlico Al2CuMg, alcanzando en las condiciones T6 resistencias de hasta 442 MPa.Lasaleaciones de la serie 6000tienen como principales elementos de aleacin el Mg y Si, que al combinarse entre s forman el compuesto intermetlico Mg2Si, que junto a otros compuestos complejos del tipo FeCrAlSi endurecen fuertemente el material. La aleacin ms ampliamente utilizada de esta serie, la 6061, presenta contenidos de 1.0% de mg y 0.6% de Si, junto a otros elementos como un 0.2% de Cr y hasta un 0.3% de Cu, que en condiciones de T6 alcanza resistencias de 290 MPa, utilizndose para fines estructurales de carcter general.Lasaleaciones de la serie 7000aaden al aluminio contenidos variables de Zn, Mg y Cu que al combinarse entre s forman compuestos intermetlicos del tipo MgZn2que es el principal elemento endurecedor de estas aleaciones, y debido a la alta solubilidad del zinc y magnesio en el aluminio, permite una alta densidad de precipitados y por lo tanto un elevado ndice de endurecimiento. La aleacin ms importante de esta serie es la 7075, que tiene una composicin aproximada de 5.6% de Zn, 2.5% de Mg, 1.6% de Cu y 0.25% de Cr, que con un tratamiento T6 alcanza resistencias a traccin de 504 MPa. La mayor importancia de las aleaciones de esta serie est en que alcanzan mediante envejecimiento natural unas elevadas prestaciones mecnicas por lo que se utilizan ampliamente en estructuras de vehculos de transporte, principalmente en la industria aeronutica.Lasaleaciones de aluminio para fundicinse han desarrollado por sus buenas cualidades de colabilidad, fluidez y capacidad de alimentacin de los moldes, as como por la optimizacin de las propiedades de resistencia y tenacidad o resistencia a la corrosin de estas aleaciones. En la tabla 13.8 se recogen las composiciones qumicas, propiedades mecnicas y principales aplicaciones de algunas de las aleaciones ms caractersticas.El silicio, en cantidades del 5 al 12%, es el elemento de aleacin ms importante dentro de estas aleaciones, al aumentar sobre todo la colabilidad de las mismas. La adicin de magnesio, en porcentajes del 0.3 al 1%, facilita el endurecimiento por precipitacin con lo que aumenta las caractersticas resistentes. Adiciones de cobre entre el 1 y el 4% aumentan en gran medida la resistencia, sobre todo a temperaturas elevadas.Para optimizar las propiedades resistentes de las aleaciones de fundicin, se realiza el enfriamiento de las piezas en moldes que permiten elevadas velocidades de enfriamiento, lo que produce estructuras en estado slido sobresaturadas, que tras las correspondientes etapas de envejecimiento alcanzan niveles resistentes considerables. Un buen ejemplo de la aplicacin de este proceso es la fabricacin de pistones para automocin, que tras su extraccin del molde se somete a un tratamiento de envejecimiento que posibilita su endurecimiento por precipitacin, tratamiento denominado T5.

Caractersticas

Culata de motor de aleacin de aluminio.Desde el punto de vista fsico, el aluminio puro posee una resistencia muy baja a latracciny unadurezaescasa. En cambio, unido en aleacin con otros elementos, el aluminio adquiere caractersticas mecnicas muy superiores. La primera aleacin resistente de aluminio descubierta fue elDuraluminio, y pueden ser centenares de aleaciones diferentes. El duraluminio contiene pequeas cantidades decobre(Cu) (3 - 5%),magnesio(Mg) (0,5 - 2%),manganeso(Mn) (0,25 - 1%) yZinc(3,5 - 5%). Slo se usan en la prctica materiales de aluminio que contienen otros elementos (con la excepcin del aluminio pursimo Al99,99), ya que incluso en aleaciones con una pureza del 99% sus propiedades vienen determinadas en gran parte por el contenido enhierroosilicio.Las aleaciones de aluminio contienen, en una matriz de aluminio diversos elementos de aleacin. Los principales son elcobre(Cu),silicio(Si),magnesio(Mg),zinc(Zn) ymanganeso(Mn). En menores cantidades se usa tambinhierro(Fe),cromo(Cr) ytitanio(Ti); y para aleaciones especiales se suele usar tambinnquel(Ni),cobalto(Co),plata(Ag),litio(Li),vanadio(V),circonio(Zr),estao(Sn),plomo(Pb),cadmio(Cd),bismuto(Bi),berilio(Be),boro(B),sodio(Na),estroncio(Sr) yescandio(Sc).Son tambin importantes los diversos tipos de aleaciones llamadasanticorodal, a base de aluminio (Al) y pequeos aportes de magnesio (Mg) ysilicio(Si). Pero que pueden contener a veces manganeso (Mn),titanio(Ti) yCromo(Cr). A estas aleaciones se las conoce con el nombre deavional,duralinox,silumin,hidronalio,peraluman, etc. Como hay distintas composiciones de aluminio en el mercado, es importante considerar las propiedades que stas presentan, pues, en la industria de la manufactura, unas son mas favorables que otras.Aportaciones de los elementos aleantesLos principales elementos de aleacin del aluminio son los siguientes y se enumeran las ventajas que proporcionan. Cromo (Cr)Aumenta la resistencia mecnica cuando est combinado con otros elementos Cu, Mn, Mg. Cobre (Cu)Incrementa las propiedades mecnicas pero reduce la resistencia a la corrosin. Hierro (Fe).Aumenta la resistencia mecnica. Magnesio (Mg)Tiene una gran resistencia tras el conformado en fro. Manganeso (Mn)Incrementa las propiedades mecnicas y reduce la calidad de embuticin. Silicio (Si)Combinado con magnesio (Mg), tiene mayor resistencia mecnica. Titanio (Ti)Aumenta la resistencia mecnica. Zinc (Zn)Aumenta la resistencia a la corrosin. Escandio (Sc)Mejora la soldaduraLas aleaciones de aluminio forjado se dividen en dos grandes grupos, las que no reciben tratamiento trmico y las que reciben tratamiento trmico.

Aleaciones de aluminio forjado sin tratamiento trmicoLas aleaciones que no reciben tratamiento trmico solamente pueden ser trabajadas en fro para aumentar su resistencia. Hay tres grupos principales de estas aleaciones segn la normaAISI-SAEque son los siguientes: Aleaciones 1xxx. Son aleaciones de aluminio tcnicamente 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 90MPa. Se utilizan principalmente para trabajos de laminados en fro. Aleaciones 3 xxx. El elemento aleante principal de este grupo de aleaciones es el manganeso (Mn) que est 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 vara del 2 al 5%. Estaaleacinse utiliza cuando para conseguir reforzamiento en solucin slida. Tiene una resistencia aproximada de 28 ksi (193MPa) en condiciones de recocido.

Aleaciones de aluminio forjado con tratamiento trmicoAlgunas aleaciones pueden reforzarse mediante tratamiento trmico en un proceso de precipitacin. El nivel de tratamiento trmico de una aleacin se representa mediante la letra T seguida de un nmero 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 tambin contienen magnesio Mg. Estas aleaciones con un tratamiento T6 tiene una resistencia a la traccin aproximada de 64ksi (442 MPa) y se utiliza en la fabricacin de estructuras de aviones, concretamente en la parte inferior y en el fuselaje donde se precisa de una gran tenacidad a fractura adems de buena resistencia. Aleaciones 6xxx. Los principales elementos aleantes de este grupo son magnesio y silicio. Con unas condiciones de tratamiento trmico T6 alcanza una resistencia a la traccin 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 traccin 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. Tambin se usa en aplicaciones deportivas de alto nivel, concretamente en bastones de esqu usados en competicin, siendo la aleacin 7075 la ms usada debido a su ligereza y buena flexibilidad an a bajas temperaturas..

Constitucin de las aleaciones de aluminio Aleaciones de aluminio maleable Aluminio puro (o pureza), aluminio pursimo, 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 pequeas adiciones deplomoy en algunos casos decadmio,bismutoyestao. Estos elementos se presentan como fases separadas en la estructura que permite la formacin de virutas cortas durante el mecanizado. Estas aleaciones no deben contenermagnesio, pues se formara una fase de Mg3Bi2que es muy frgil. Aleaciones con litio maleables: las aleaciones de aluminio ylitiose caracterizan por su baja densidad, lo que supone buenas propiedades mecnicas frente a la masa. En la mayora 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 fabricacin especiales (pulvimetalurgia), y tienen aplicacin comercial en el campo aeroespacial. Otras aleaciones maleables.

Aleantes y clasificacin de las aleaciones del aluminio:

Las propiedades del aluminio dependen de un conjunto de factores, de estos, el ms importante es la existencia de aleantes. Con la excepcin del aluminio pursimo ( 99,99 % de pureza ), tcnicamente se utilizan slo materiales de aluminio que contienen otros elementos. An en el aluminio pursimo, las impurezas ( Fe y Si ) determinan, en gran medida, sus propiedades mecnicas.Los elementos aleantes principales del aluminio son: cobre (Cu), silicio (si), magnesio (Mg), zinc (Zn) y manganeso (Mn):En menores cantidades existen, frecuentemente, como impurezas o aditivos: hierro (Fe), cromo (Cr) y titanio (Ti). Para aleaciones especiales se adiciona: niquel (Ni), cobalto (Co), plata (Ag), litio (Li), vanadio (V), circonio (Zr), estao (Sn), plomo (Pb), cadmio (Cd) y bismuto (Bi).La clasificacin del aluminio y sus aleaciones se divide en dos grandes grupos bien diferenciados, estos dos grupos son: forja y fundicin. Esta divisin se debe a los diferentes procesos de conformado que puede sufrir el aluminio y sus aleaciones.Dentro del grupo de aleaciones de aluminio forjado encontramos otra divisin clara, que es la del grupo de las tratables trmicamente y las no tratables trmicamente. Las no tratables trmicamente solo pueden ser trabajadas en fro con el fin de aumentar su resistencia.A continuacin aparecen dos cuadros con los grupos bsicos para las aleaciones de forja y fundicin, adems hay unas designaciones para especificar el grado de endurecimiento que no sern comentadas por ser demasiado especficas y no venir al caso en el tema de este trabajo.Conviene sealar que, dentro de las aleciones para forja, los grupos principales de las no tratables trmicamente son : 1xxx, 3xxx y 5xxx. Dentro de las tratables trmicamente los grupos principales son : 2xxx, 6xxx y 7xxx. En esta ltima divisin, se encuentran las aleaciones de aluminio con mayores resistencias mecnicas, los grupos 2xxx y 7xxx, por lo que son las aleaciones ms indicadas para este trabajo. Al final de este, se har una mencin especial a estos dos grupos y sus caractersticas mecnicas.A continuacin se adjunta un cuadro con aleaciones de aluminio para forja y fundicin con sus composiciones qumicas y propiedades mecnicas ms tpicas. Especial mencin, como se comentaba antes, a las aleaciones 2024 y 7075 que son muy utilizadas en situaciones que requieren mxima resistencia mecnica junto con ligereza.

Conclusin

El aluminio y sus aleaciones presentan con frecuencia inclusiones metlicas y gaseosas que pueden alterar sus propiedades y resultar muy perjudiciales para la fundicin. Estas impurezas metlicas como el calcio y el sodio, son a veces benficas como sucede con el sodio en el afino de las aleaciones de aluminio y silicio o por el contrario, perjudiciales como ocurre cuando existe sodio en las aleaciones que contienen magnesio.Las impurezas gaseosas, principalmente el Hidrgeno producen porosidades en las piezas fundidas. Otras impurezas no metlicas como el xido en aleaciones que no son de primera fusin, reducen la fluidez del metal y producen discontinuidad en la estructura de la aleacin debilitando las propiedades mecnicas de las piezas. Existen una serie de productos denominados fundentes cuya misin es eliminar todas las impurezas efectuando un lavado y desgasificado o formar una capa protectora en la superficie del metal fundido protegindolo contra la oxidacin, volatilizacin de algunos de sus componentes y de la absorcin de gases.Los fundentes de desescoriado, producen una capa de escorias fcilmente fusibles que arrastran consigo los xidos metlicos y dems impurezas, separando efectivamente estos elementos perjudiciales del metal fundido.Las aleaciones del Aluminio que contienen magnesio, deben llevar en la preparacin de los moldes, una arena de revestimiento especial que contenga un inhibidor por que son muy propensas a reaccionar con el molde. El magnesio puede oxidarse muy fcilmente durante la fusin, por lo cual es necesario usar fundentes que no slo protejan el bao, si no que limpien la aleacin de xidos.

Bibliografa

http://html.rincondelvago.com/aluminio.html

https://es.wikipedia.org/wiki/Aluminio

http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm13/fcm13_4.html

http://www.utp.edu.co/~publio17/laboratorio/fusion_al.htm