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110 CARLES RIBA ROMEVA, SELECCIÓN DE MATERIALES EN EL DISEÑO DE MÁQUINAS. (Edicions UPC, 2006)

13 Metales no férricos 13.1 Aluminio y aleaciones de aluminio

Introducción El aluminio (elemento muy abundante en la corteza terrestre) y sus aleaciones destacan por su lige-reza y resistencia a la corrosión, así cómo también por su buena conductividad térmica y eléctrica. Las propiedades mecánicas del metal puro son bastante moderadas, pero, aleado con otros elemen-tos, mejoran notablemente. Si se toma la resistencia o la rigidez en relación con la densidad, los aluminios aventajan los aceros en determinadas aplicaciones (Sección 11.5). Estas cualidades, jun-to con la gran aptitud para el conformado (deformación en frío, forja, moldeo, extrusión, mecani-zado), han convertido las aleaciones de aluminio en el segundo grupo de materiales metálicos más usados después de los férricos, aunque su obtención industrial no se inició hasta finales del siglo XIX. Los progresos de la industria del aluminio han ido muy ligados al desarrollo de la aviación (especialmente después de la Segunda Guerra Mundial), pero desde entonces han ido apareciendo nuevos campos de aplicación propios (automoción, equipamiento naval, arquitectura, envases).

Propiedades de las aleaciones de aluminio Propiedades físicas Destacan la muy baja densidad (2,7 Mg/m3, ~1/3 de la de los aceros; vehículos, aparatos portátiles, piezas sometidas a grandes aceleraciones), la elevada conductividad térmica (80÷230 W/m·K; elementos conductores o disipadores de calor: pistones, carcasas), la elevada conductividad eléctri-ca (resistividad eléctrica: 28÷60 nΩ⋅m; aplicaciones eléctricas) y el también elevado calor específi-co (865÷905 J/kg·K). La elevada dilatación térmica (20÷25 μm/m⋅K; ~ doble de la de los aceros) hace que las piezas de aluminio sufran variaciones dimensionales importantes con la temperatura (menor estabilidad dimensional). El aluminio pulido proporciona excelentes superficies reflectoras. Propiedades mecánicas A temperatura ambiente, la resistencia a la tracción (150÷450 MPa), el límite elástico (100÷300 MPa) y el módulo de elasticidad (69÷73 GPa) son moderados, y las durezas relativamente bajas (Al-comercial 20HB, Grupo Al-Zn: 150 HB), no adecuadas para las presiones superficiales requeridas en los enlaces. La resistencia a la fatiga es aceptable (sin un límite de fatiga definido) y la resiliencia es normalmente elevada excepto en los aluminios más resistentes (grupos Al-Cu y Al-Zn). El comportamiento a altas temperaturas es moderado: ya a 100÷150ºC (según las aleaciones) la fluencia se manifiesta de forma acusada y disminuyen sensiblemente la resisten-cia, el límite elástico y la dureza, siendo residuales las propiedades mecánicas a partir de 350ºC. Entre 200÷300ºC, el mejor comportamiento mecánico corresponde a los grupos Al-Cu y Al-Mg). Sin embargo, el comportamiento mecánico a bajas temperaturas es excelente, la resisten-cia aumenta mientras que la resiliencia, el límite elástico y el alargamiento se mantienen hasta temperaturas operativas de -195ºC.

13 METALES NO FÉRRICOS 13.1 ALUMINIOS Y ALEACIONES DE ALUMINIO

CARLES RIBA ROMEVA, SELECCIÓN DE MATERIALES EN EL DISEÑO DE MÁQUINAS. (Edicions UPC, 2006) 111

Aptitudes para el conformado Las aleaciones de aluminio presentan una gran aptitud para el conformado. La baja temperatura de fusión (520÷650ºC) facilitan el moldeo de piezas complicadas (molde de arena, coquilla; por inyección se obtienen piezas de gran precisión dimensional). Su elevada ductilidad facilita el conformado por deformación plástica, en frío y en caliente, mediante laminación (chapas, ba-rras), forja o extrusión (perfiles de formas complejas, eventualmente con cavidades, difíciles de obtener con otros tipos de materiales). La gran maquinabilidad a altas velocidades proporciona una productividad elevada, un abaratamiento de costes y el ahorro de energía.

Estados de suministro y tratamientos térmicos Las piezas y productos en bruto (designación F) de las aleaciones de aluminio pueden mejorarse mediante dos procedimientos: a) por deformación en frío; b) mediante tratamientos térmicos. Endurecimiento por deformación en frío Algunos grupos de aleaciones del aluminio (Al-comercial, Al-Mn, Al-Mg) sólo pueden endure-cerse por deformación en frío, seguido o no de un recocido parcial o de estabilización. Los esta-dos de deformación en frío se indican por: H1x, deformación en frío; H2x, deformación en frío seguida de un recocido parcial; H3x, deformación en frío seguida de una estabilización. El se-gundo dígito, x, indica el grado de dureza: 2 (¼ duro), 4 (½ duro), 6 (¾ duro), 8 (duro). Tratamientos térmicos Las propiedades mecánicas de determinadas aleaciones del aluminio pueden mejorarse mediante el tratamiento térmico de bonificado (o envejecimiento) que consta de tres fases: a) Solubilización de los elementos de aleación, por calentamiento del material durante cierto tiempo a temperatura ade-cuada; b) Temple o enfriamiento enérgico para producir una solución sobresaturada a temperatura ambiente; c) Maduración, o envejecimiento, consistente en la precipitación de pequeñas partículas del material de aleación, ya sea a temperatura ambiente (maduración natural) o a temperatura con-trolada (maduración artificial). Los grupos de aleaciones que se pueden bonificar (además de endu-recer por deformación en frío) son: Al-Cu. Al-Mg y Al-Zn, así como también algunos del grupo Al-Si. Los principales tratamientos térmicos son (entre paréntesis, designaciones ISO): recocido total en piezas forjadas, O, y en piezas moldeadas, T2 (TC); enfriamiento rápido (o temple) después de la transformación en caliente (sin solubilización específica) y maduración natural, T1 (TA), o artificial, T2 (TE), en este último caso, eventualmente siguiendo una deformación en frío, T10 (TG); solubili-zación, temple y maduración natural, T4 (TB), o artificial, T6 (TF); solubilización, temple, deforma-ción en frío y maduración natural, T3 (TD), o artificial, T8 (TH); solubilización, temple, maduración artificial y deformación en frío T9 (TL); y, solubilización, temple y estabilización, T7 (T).

Resistencia a la corrosión. Anodizado Gracias a la extraordinaria afinidad con el oxígeno, el aluminio se recubre espontáneamente de una capa superficial de óxido de pocos átomos de espesor (si se destruye, se regenera), tupida e impermeable, que protege al material de oxidaciones posteriores y del ataque de la mayoría de sustancias orgánicas e inorgánicas lo que le proporciona inocuidad sanitaria (alimentos, utensi-lios de uso personal); en ciertos medios, algunas aleaciones experimentan corrosiones intercrista-linas. En todo caso, hay que reseñar el mal comportamiento a la corrosión de las aleaciones que contienen Cu, en especial en ambientes marinos. Anodizado Tratamiento superficial de los productos y piezas de aluminio que consiste en situar el material en el ánodo de una célula electrolítica donde se libera oxígeno, que refuerza la capa protectora de óxido (normalmente de 5÷25 μm de espesor; en el anodizado duro las capas son más gruesas y duras, de 25÷150 μm). Los efectos de el anodizado son varios: acción protectora contra la corro-



sión, acción decorativa (con la adición de colorantes, las piezas y los productos adquieren un aspecto atractiva), mejora de la resistencia al desgaste (anodizado duro) y aislamiento eléctrico. En principio todos los grupos de aleación de aluminio son aptos para el anodizado, pero los que dan mejores resultados son el Al puro y las aleaciones de Al-Mg y Al-Mg-Si.

Grupos de aleación del aluminio y aplicaciones Cómo en otras familias de metales, se distingue entre las aleaciones para forja (extrusión y lami-nación) y para moldeo. A pesar de la gran variedad de aleaciones de forja normalizadas, el merca-do ofrece una selección relativamente reducida dentro de la cual debe hacerse la selección, siem-pre que ello sea posible. Existe más libertad en las aleaciones para moldeo, ya que en cada colada puede ajustarse la composición deseada a partir de la mezcla de lingotes de aleación madre (para fundir, con composiciones sencillas bien definidas). A continuación se analizan las principales propiedades y aplicaciones de los diferentes grupos de aleación de aluminios para forja y moldeo. Aleaciones de aluminio para forja (laminación, extrusión) Los productos laminados o extrudidos se suministran en una gran diversidad de formas (chapas, planchas, bandas, barras, tubos, alambre y una gran variedad de perfiles), que pueden obtenerse en distintos estados de suministro (recocido, O; deformado en frío, Hxy; bonificado, Tx). La elección debe hacerse a partir de las propiedades del material, del proceso de conformado previs-to para la pieza (mecanizado, deformación en frió, forja, extrusión, soldadura) y de los costos totales que se derivan. Las denominaciones habituales de aluminio son las de Aluminum Asso-ciation (AA), suscritas, entre otros países, por España (Registro Internacional de Aleaciones), aunque también existen designaciones propias de la norma UNE. También se dan la designación simbólica ISO y los números de material DIN. Grupos no bonificables Grupo Al Este grupo incluye los Al-comerciales de distintos niveles de pureza superiores a 99,0%. Ningu-no de ellos es bonificable y se usan recocidos o en varios grados de acritud. El Al-comercial se caracteriza por una buena resistencia a la corrosión, soldabilidad, facilidad de conformación y aptitud para el anodizado, y se utiliza en la industria química, alimentaria y criogénica. La alea-ción más frecuente es la Al99,5 (L3051 según UNE o 1050 según AA), suministrado recocido (0), ¼ duro (H12), y ½ duro (H14). Para usos eléctricos hay una versión con contenidos severa-mente limitados de Ti, V, Cr, y Mn (62% IACS véase las aleaciones de Cu, Sección 13.2), ele-mentos que perjudican la conductividad eléctrica. Se designa por Al99,5E (L 3502 según UNE, 1350 según AA) y se encuentra en el mercado en forma de hilo o de barra para trefilar. Grupo Al-Mn La adición de un pequeño porcentaje de Mn al aluminio proporciona aleaciones bonificables, de mejor resistencia mecánica, muy buena resistencia a la corrosión, excelente soldabilidad y buena conformabilidad. Se presenta en forma de chapas, hilos y perfiles, y se usa en sustitución del Al-comercial cuando se requieren mejores propiedades mecánicas (botes de bebida, depósitos, mue-bles, tejados, señales de tráfico). La aleación más usual es AlMn1Cu (L 3810 según UNE, 3003 según AA), mientras que la aleación AlMn1Mg1 (L 3820 según UNE, 3004 según AA), con la adición de Mg, adquiere una resistencia mecánica superior (recubrimientos de fachadas). Grupo Al-Mg Este grupo de aleación destaca por ofrecer la máxima resistencia a la corrosión (incluso en am-bientes marinos), así como por su soldabilidad y la aptitud para el anodizado. Normalmente no se utiliza el bonificado por el poco aumento de resistencia que reporta. El contenido de Mg influye positivamente en la resistencia, a la vez que disminuye rápidamente la ductilidad. La aleación



más usual es el AlMg3 (L3390 según UNE, 5754 según AA), que se utiliza en la fabricación de carrocerías de automóvil, vagones de ferrocarril, cascos de buque, depósitos, industria alimenta-ria; la aleación AlMg4,5Mn (L-3321 según UNE, 5083 según AA), más resistente que el anterior pero también más cara, además de usarse en aplicaciones análogas de mayor compromiso, se ha convertido en el material estándar para la fabricación de depósitos criogénicos; la aleación AlMg1 (L-3350 según UNE, 5005 según AA), más barato que los anteriores, se usa en recubri-mientos de fachadas de edificios; la aleación AlMg2,5 (L-3360 según UNE, 5052 según AA) se usa en calderería y conducciones de aluminio (condensadores, intercambiadores de calor) en la industria química. Grupos bonificables Grupo Al-Cu Las aleaciones de este grupo se usan, en general, bonificadas y se caracterizan por su elevada resistencia mecánica, y también por su baja resistencia a la corrosión, su poca soldabilidad y pe-queña aptitud para el anodizado. Se suministran en forma de barras para mecanizar o tocho para forjar con prensa, y se usa en piezas de alta resistencia. Las aleaciones AlCu6BiPb (L-3192 según UNE, 2011 según AA) y AlCu4PbMg (L-3121 según UNE, 2030 según AA), con peque-ñas adiciones de Pb y suministrados en forma de barras, se usan para fabricar piezas de alta resis-tencia que requieran una excelente maquinabilidad, el primero para dimensiones pequeñas (torni-llería, barras roscadas, bridas) y el segundo para piezas de dimensiones mayores. La aleación AlCu4MgSi (L-3120 según UNE, 2017 según AA), suministrada en barras y chapas, y las alea-ciones AlCu4SiMg (L-3130 según UNE, 2014 según AA) y AlCuMg1 (L-3140 según UNE, 2024 según AA), suministradas en barras, a menudo conocidas como duraluminios, se usan en piezas que requieran elevadas características mecánicas, como elementos estructurales y fuselaje de aviones, chasis de vehículos pesados o aplicaciones análogas. El último de ellos es utilizado en la fabricación de sonotrodos (soldadura por ultrasonidos). Grupo Al-Mg-Si Este grupo de aleaciones, con porcentajes de Mg y Si generalmente inferiores al 1% y bonifica-bles, tiene unas propiedades de conformabilidad, soldabilidad, resistencia mecánica, resistencia a la corrosión y aptitud para el anodizado que, sin ser ninguna de ellas extraordinaria, constituyen un compromiso muy equilibrado. La aleación AlMg0,5gSi (L-3441 según UNE, 6063 según AA), es el material por excelencia para perfiles extrudidos, especialmente destinados a la construcción (marcos de puertas, ventanas, cierres metálicos); siendo sus cualidades mecánicas moderadas, es un buen conductor eléctrico de resistencia mecánica superior a l'Al99,5E. La aleación AlMg1SiCu (L-3420 según UNE, 6061 según AA) y la aleación AlSi1MgMn (L-3453 según UNE, 6082 según AA), que tiende a sustituirlo, se utilizan para piezas mecanizadas y forjadas de compromiso más moderado que los duraluminios, pero de mejor resistencia a la corrosión. Grupo Al-Zn Contenidos de Zn superiores al 4% con elementos secundarios (Mg, Cu, Cr, Mn) dan lugar a una familia de aleaciones bonificable con maduración artificial que proporciona las resistencias mecánicas altas entre las aleaciones de aluminio. La aleación AlZn4,5Mg1 (L-3741 según UNE, 7020 según AA) tiene características moderadas dentro del grupo, pero su maquinabilidad y sol-dabilidad son muy buenas y su corrosión es muy baja. Las aleaciones AlZn8MgCu (L-3751 según UNE, 7049 según AA) y AlZn6MgCu (L-3710 según UNE, 7075 según AA) tienen las características mecánicas más elevadas entre los aluminios, pero su resistencia a la corrosión y soldabilidad son menores. La aleación 7049 (de comportamiento mecánico ligeramente superior) se utiliza especialmente en aviación, armamento y en tornillería de alta resistencia, mientras que la aleación 7075 tiene sus principales aplicaciones en equipos deportivos (palos de esquí, cañas de pescar, equipo de alpinismo, bicicletas de competición).



Aleaciones de aluminio para moldeo Las cualidades que se esperan de los aluminios de moldeo son una buena colabilidad (aptitud par llenar correctamente la cavidad del molde), una contracción relativamente pequeña y la no forma-ción de fisuras (causa de la fragilidad) en la contracción. Las temperaturas de fusión relativamente bajas de las aleaciones de aluminio permiten utilizar, además de los moldes de arena, moldes metálicos (coquillas), donde el material se introduce o bien por gravedad, o bien bajo presión (moldeo por inyección). Este último proceso, cuyo equipo (máquina de inyección y molde especí-fico para cada pieza) es muy caro, permite sin embargo obtener piezas de una elevada precisión dimensional y de excelentes acabados superficiales que requieren poca o nula mecanización pos-terior, por lo que es muy utilizado en la fabricación de piezas complejas en grandes series (bom-bas de gasolina, carburadores, planchas domésticas). La designación más universalmente aceptada de los aluminios para moldeo es la simbólica ISO. En la Tabla 13.1 se dan también las denomina-ciones UNE, Aluminium Association (AA) y los números de material DIN. Grupo Al El aluminio sin alear es menos usado en piezas moldeadas que en productos forjados. La alea-ción Al99,5 (L-2051 según UNE), cuya ductilidad y resistencia a la corrosión son excelentes y su resistividad eléctrica muy baja, se usa en piezas moldeadas en arena y en coquilla y, más rara-mente, de inyección. Tiene aplicaciones en la industria química y eléctrica, en elementos sin compromiso mecánico. Los rotores de motores eléctricos asíncronos de baja resistencia se fabri-can con aleaciones de otros grupos, como AlSi5Mg (L-2570 según UNE, ~30÷35% IACS) o AlSi8Cu3 (L-2630 según UNE, 25÷30% IACS). Grupo Al-Si12 La adición de Si al aluminio (punto eutéctico a ~12% Si) da lugar a un incremento de la fluidez del material fundido, a una disminución de la fisuración y de la contracción en el enfriamiento, lo que permite diseñar piezas de formas complejas con cambios importantes de sección y paredes desde muy delgadas a muy gruesas. Estas aleaciones tienen también buena soldabilidad, ductili-dad y estanqueidad. La aleación base es AlSi12 (L-2520 según UNE, de composición eutéctica), no bonificable, que se usa cuando se requieran excelentes cualidades de moldeo (piezas compli-cadas de paredes muy delgadas) y de resistencia a la corrosión, aunque sacrificando la resistencia mecánica y la maquinabilidad. Las aleaciones restantes de este grupo, en base de pequeños con-tenidos de otros elementos, palían la falta de resistencia mecánica y de maquinabilidad de la aleación base. La aleación AlSi12Cu (L-2530 según UNE) mejora la resistencia a la fatiga, a costa de empeorar la resistencia a la corrosión, mientras que la aleación AlSi12Ni2 (L-2550 según UNE) mejora la resistencia mecánica en caliente y la resistencia al desgaste, a la vez que presenta un bajo coeficiente de dilatación, características adecuadas para pistones de automóvi-les. En la fabricación de piezas de motores alternativos (bloque motor, culatas, pistones), a me-nudo se utilizan aleaciones de este grupo con composiciones especiales no normalizadas de alto contenido de Si o hipereutécticas (AlSi17Cu4Mg, AlSi21CuNiMg, AlSi25CuMgNi). Grupo Al-Si-Mg Con la adición de pequeños porcentajes de Mg, las aleaciones Al-Si se convierten en bonifica-bles, y consiguen valores de resistencia y dureza considerablemente mayores con una mejora de la maquinabilidad. El tratamiento térmico durante la fundición sobre la pieza moldeada, antes de ser mecanizada. Uno de los principales representantes de esta familia es el AlSi10Mg (L-2560, según UNE), utilizado en motores y máquinas (llantas de rueda, carcasas y cajas, tambores de freno, tubos centrifugados). La aleación AlSi7Mg (L-2561) es más resistente y de mejor maqui-nabilidad a costa de una menor facilidad de moldeo (ruedas, brazos de suspensión, piezas del sistema de dirección).



Grupo Al-Si-Cu Las aleaciones de esta familia tienen multiplicidad de aplicaciones cuando las características mecánicas exigidas son mayores que las de los grupos anteriores, incluso a temperaturas mode-radamente elevadas. Se funden fácilmente (posibilidad de formas complicadas), se trabajan bien (buena maquinabilidad), pero no presentan la misma resistencia a la corrosión y a los agentes químicos que las aleaciones de los grupos anteriores (presencia de Cu). Porcentajes mayores de Si aumentan la colabilidad en el molde, mientras que un mayor contenido de Cu mejora la ma-quinabilidad y las posibilidades de pulido. Las aleaciones más usadas son el AlSi5Cu3 (L-2610, según UNE), de resistencia mayor y apto para moldear en arena o en coquilla, y el AlSi8Cu3 (L-2630, según UNE), que prácticamente es un estándar en el moldeo por inyección. Grupo Al-Mg Las aleaciones de este grupo se caracterizan por una gran resistencia a la corrosión, incluso en agua de mar y en atmósfera salina. Tienen una buena maquinabilidad, se pulen muy bien y admi-ten el anodizado con finalidad decorativa. Sus principales aplicaciones son la construcción naval, las industrias química y alimentaria y también los objetos decorativos. Dado que, mediante el moldeo, no es necesario conformar por deformación en frío, se puede aumentar el porcentaje de Mg, lo que hace bonificables estas aleaciones. Su moldeo no es fácil (especialmente con conteni-dos >7% Mg, aspecto a tener en cuenta en el diseño); pequeñas adiciones de Si facilitan la cola-bilidad, pero empeoran la apariencia en el anodizado. La aleación AlMg10 (L-2310, según UNE), bonificable, une a su excelente resistencia a la corrosión unas elevadas características mecánicas y una gran resistencia al choque; aun así, como ya se ha comentado, su moldeo re-quiere cuidados especiales. La aleación que ofrece más posibilidades de aplicación es AlMg3 (L-2341 según UNE), de moldeo más fácil a pesar de que disminuyen las características mecánicas (aplicaciones navales, industria de la alimentación, herrajes resistentes a la corrosión). Grupo Al-Cu Por medio de tratamiento térmico (el Cu posibilita la bonificación), las aleaciones de este grupo consiguen las características mecánicas más elevadas entre los aluminios de moldeo (resistencia a la tracción, límite elástico, alargamiento, tenacidad, resistencia al desgaste), especialmente a temperaturas elevadas. Aun así, las características generales de moldeo (colabilidad, agrietamien-to en la contracción, compacidad) son más bien bajas (sobretodo para >5% de Cu) y, además, oponen dificultades a ser conformados en coquilla a causa del gran intervalo de solidificación y de la elevada tendencia a formar grietas por efectos térmicos. Hay que realizar, pues, un diseño adecuado de las piezas que tenga en cuenta las condiciones de moldeo. Se usan en piezas de vehículos y máquinas con altas solicitaciones mecánicas, sometidas a choques o a desgaste (po-leas de correa trapezoidal) y es ineludible en piezas que trabajan en caliente. Las aleaciones más usuales de este grupo son: el AlCa4MgTi (L-2140 según UNE), aleación de aluminio estándar de características mecánicas elevadas y resistente a los choques, para una gran variedad de piezas, carcasas y elementos estructurales (automoción, aviación) moldeadas en molde de arena o en coquilla; y el AlCu4Ni2Mg (L-2150 según UNE), utilizado para piezas moldeadas en molde de arena o en coquilla que requieran una elevada resistencia mecánica a temperaturas hasta 300ºC, con un coeficiente de dilatación bajo (culatas, émbolos). Grupo Al-Zn-Mg La característica más relevante de este grupo es su capacidad de auto templarse sin necesidad de solubilización, seguido de una maduración natural (varias semanas) o artificial (varias horas), lo que facilita la fabricación de piezas de grandes dimensiones con buenas características mecánicas, tenacidad, maquinabilidad, estabilidad dimensional y resistencia a la corrosión. La aleación más frecuente es la AlZn5Mg (L-2710 según UNE), para piezas moldeadas en arena o en coquilla.



Taula 13.1 Aleaciones de aluminio para forja

Aleaciones para forja no bonificables

Grupo Al Grupo Al-Mn

Registro Internacional de Aleaciones 1050 1080 1200 3003

UNE L 3051 38.114

L 3081 38.118

L 3001 38.115

L 3810 38.381

ISO R209 DIN 17007

Al 99,5 3.0255

Al 99,8 3.0285

Al 99,0 3.0205

AlMn1Cu 3.0517

Composición química

Cobre Cu Magnesio Mg Manganeso Mn Silicio Si Zinc Zn Otros

% % % % % %

- - - - -

Al 99,5

- - - - -

Al 99,8

- - - - -

99,0

0,12 -

1,2 - - -

Propiedades físicas

Densidad Coeficiente dilatación Calor específico Conductividad térmica Resistividad eléctrica

Mg/m3 μm/m⋅K J/kg⋅K W/m⋅K nΩ⋅m

2,70 23,3 900 230 28

2,70 23,6 900 235 28

2,71 23,5 905

220/215 29/30

2,73 23,0 890

190/160/155 34/42/43

Propiedades mecánicas

Tratamiento O H14 H18 O H14 O H14 H18 O H14 H18

Resistencia tracción 24°C 150°C 205°C Resistencia cortadura Límite elástico Alargamiento a rotura Límite de fatiga (5⋅108) Dureza

MPa MPa MPa MPa MPa

% MPa HB

75 - -

55 25 45 20 20

120 - -

75 100 11 35 30

165 - -

95 140 7 45 40

75 - - -

20 45 -

17

120 - - -

100 10 -

25

90 - -

65 25 40 -

20

130 - -

80 110 10 -

35

175 - -

100 150 7 -

45

115 75 60 75 40 35 45 28

160 125 95 100 145 12 60 40

220 160 95 110 185 7 70 55

Módulo de elasticidad Coeficiente de Poisson

GPa -

69,0 0,33

69,0 0,33

69,0 0,33

69,0 0,33

Propiedades tecnológicas

Coste Temperatura de fusión Resistencia corrosión Conformación en frío Maquinabilidad Soldabilidad

€/kg °C

[1÷5] [1÷5] [1÷5] [1÷5]

2,70 645÷655

[4] [5]/[4] [1]/[2]

[5]

3,00 650÷655

[4] [5]/[4]

[1] [4÷5]

2,40 645÷655

[3÷4] [5]/[4] [1]/[2]

[5]

3,30 645÷655

[4] [5]/[4] [1]/[2]

[5]



Grupo Al-Mg

3004 5005 5052 5083 5086 5754

L 3820 38.382

L-3350 38.335

L-3360 38.336

L-3321 38.340

L 3322 38.341

L 3390 38.339

AlMn1Mg1 3.0526

AlMg1 3.3315

AlMg2,5 3.3523

AlMg4,5Mn 3.3547

AlMg4 3.3545

AlMg3 3.3535

- 1,0 1,2 - - -

- 0,8 - - - -

- 2,5 - - -

0,25 Cr

- 4,5 0,7 - -

0,15 Cr

- 4,0 0,4 - -

0,15 Cr

- 3,0 0,5 - -

0,25 Cr

2,72 23,2 890

160/-/- 41/-/-

2,70 23,7 900 205 33

2,68 23,8 900 135 49

2,66 23,9 900 120 60

2,66 23,9 900 125 54

2,67 23,8 900 130 53

O H14 H18 O H14 H18 H34 H38 O H32 H34 O H34 O H32 H34

180 152 95 110 69 23 95 45

240 190 145 125 200 11 105 65

285 215 150 145 250 5

110 75

125 - -

75 40 25 -

28

160 - -

95 150 6 -

40

200 - -

100 190 4 -

50

260 205 165 145 215 16 125 65

290 235 170 165 255 14 140 75

275 215 150 180 125 18 -

70

340 - -

190 250 12 -

80

375 - -

-300 6 -

90

260 200 150 160 115 22 -

65

325 - -

185 255 10 -

80

210 - -

130 100 23 -

55

250 - -

150 140 10 -

65

275 - -

-180 6 -

70

69,0 0,33

68,0 0,33

69,5 0,33

71,0 0,33

71,0 0,33

70,0 0,33

3,60 630÷655

[4] [5]/[3] [1]/[2]

[5]

3,60 630÷650

[4] [5]/[3] [1]/[2]

[5]

3,60 610÷650

[4÷5] [3] [2] [4]

4,20 580÷640

[5] [4]/[2]

[2] [4÷5]

3,60 585÷640

[5] [4]/[2]

[2] [4÷5]

3,60 590÷645

[4÷5] [4]/[2]

[2] [4÷5]



Taula 13.1 Aleaciones de aluminio para forja (continuación) Aleaciones para forja bonificables

Grupo Al-Cu

Registro Internacional de Aleaciones 2011 2014 2017 2024 2030

UNE L-3192 38.322

L 3130 38.313

L 3120 38.312

L 3140 38.314

L 3121 38.319

ISO R209 DIN 17007

AlCu6BiPb 3.1655

AlCu4SiMg 3.1255

AlCu4MgSi 3.1325

AlCu4Mg1 3.1355

AlCu4PbMg 3.1645


Cobre Cu Magnesio Mg Manganeso Mn Silicio Si Zinc Zn Otros

% % % % % %

5,5 - - - -

Pb, Bi 0,4

4,4 0,5 0,8 0,8 - -

4,0 0,6 0,7 0,5 - -

4,4 1,5 0,6 - - -

4,0 0,9 1,0 0,8 0,5

Pb 1 Bi 0,2




2,83 23,2 865

150/170 44/38

2,80 23,0 875

135/155 51/43

2,79 23,0 875

190/135 34/51

2,78 23,2 875

120/150 50

2,82 22,9 860 135 51


Tratamiento T3 T8 T4 T6 O T4 T3 T4 T6 T61

Resistencia tracción 24°C 150°C 205°C Resistencia cortadura Límite elástico Alargamiento a rotura Límite de fatiga (5⋅108) Dureza

MPa MPa MPa MPa MPa

% MPa HB

380 195 110 220 295 15 125 95

405 - -

240 310 12 125 100

425 - -

260 290 20 140 105

480 275 110 240 415 13 125 135

180 - -

125 70 22 90 45

425 275 110 260 275 22 125 105

485 380 185 285 345 17 140 120

470 310 180 285 325 19 140 120

475 310 180

- 395 10 - -

370 - - -

235 7 -

100


GPa -

71,0 0,33

73,0 0,33

74,0 0,33

73,0 0,33

73,0 0,33


Coste relativo Temperatura de fusión Resistencia corrosión Conformación en frío Maquinabilidad Soldabilidad

€/kg °C

[1÷5] [1÷5] [1÷5] [1÷5]

4,30 540÷645

[1] [1] [5] [1]

4,20 510÷635

[2] [1] [4] [3]

4,40 515÷640

[1] [4]/[1]

[4] [3]

4,20 500÷635

[1] [1] [4] [3]

4,40 510÷635

[1] [1] [5] [1]



Grupo Al-Mg-Si

6005 6061 6063/(6060) 6082 7020 7049 7075

L-3454 38.349

L-3420 38.342

(L-3441) (38.337)

L-3453 38.348

L-3741 38.374

L-3751 38.375

L-3710 38.371

AlSiMg 3.3210

AlMg1SiCu 3.3211

AlMg0,5Si 3.3207

AlSi1MgMn 3.2315

AlZn4,5Mg1 3.4335

AlZn8MgCu -

AlZn6MgCu 3.4365

- 0,5 -

0,8 - -

0,3 1,0 -

0,6 -

Cr 0,2

- 0,7 -

0,4 - -

- 0,9 0,6 1,0 - -

- 0,7 - -

4,5 Cr 0,15

1,5 2,5 - -

7,7 Cr 0,15

1,6 2,5

5,6 Cr 0,20

2,70 23,4 900

-/165 -/35

2,70 23,6 895

180/155/165 37/43/40

2,69 23,4 900

190/210/200 50/55/53

2,71 23,4 875 175 38

2,71 23,5 875 175 42

2,82 23,4 875 155 43

2,80 23,4 875 130 52

T1 T5 O T4 T6 T1 T5 T6 T4 T6 T4 T6 T73 T6 T73 T6

172 - -

-105 16 - -

260 - - -

240 9 95 95

125 - -

85 55 28 60 30

240 - -

165 145 23 95 65

310 235 130 205 275 17 95 95

150 145 60 95 90 20 60 40

185 138 65 115 145 12 70 60

240 145 60 150 215 12 70 70

205 - - -

110 14 - -

320- -

200 280 10 -

95

320 - - -

210 14 - -

350 - - -

280 10 - -

515 - -

305 450 12 275 135

610 - - -

530 5 - -

500 215 110

- 435 13 160

-

570 215 110 330 505 11 160 150

69,0 0,33

69,0 0,33

68,5 0,33

69,5 0,33

69,5 0,33

72,0 0,33

72,0 0,33

3,60 610÷655

[3÷4] [1] [3] [4]

5,00 580÷650

[3÷4] [4]/[2] [2]/[3]

[5]

4,20 615÷655

[3÷4] [2]/[1]

[3] [4]

- 570÷645

[4] [2] [4] [4]

4,50 570÷645

[3] [1] [4]

[3÷4]

6,00 475÷625

[2] [1] [4] [1]

6,00 475÷635

[2] [1] [4] [2]



Taula 13.2 Aleaciones de aluminio para moldeo Grupo Al Grupo Al-Si

UNE L-2051 38.125

L-2520 38.252

L-2560 38.256

L-2610 38.261

ISO R/164, 2147, 3522 Al 99,5 AlSi12 AlSi10Mg AlSi5Cu3

AA (Aluminum Association) DIN 1725-2

150.1 3.0250

413.0 3.3581

360.0 3.2381

363.0 3.2151


Cobre Cu Magnesio Mg Silicio Si Zinc Zn Otros

% % % % %

- - - -

Al 99,5

- -

12,0 - -

- 0,40 10,0

- Mn 0,5

- 0,4 7,0 -

Mn 0,5



Mg/m3 μm/m⋅K

J/g⋅K W/m⋅K nΩ⋅m

2,70 24,0 900 215 30

2,66 20,0 865

145÷165 45÷50

2,68 20,0 875

135÷160 45÷50

2,68 21,5 875

125÷150 45÷60


Moldeo S C S C Arena Coquilla Arena Coquilla

Tratamiento F F F F F T6 F T6 F T6 F T6

Resistencia tracción Límite elástico Alargamiento a rotura Límite de fatiga 5⋅108 Dureza

MPa MPa

% MPa HB

80 30 35 -

20

80 35 40 -

20

150 70 5 50 50

170 80 2 -

55

160 80 2 -

50

220 180 1 -

75

180 90 2 -

50

250 200 1 -

90

130 70 2 70 65

230 200 1 75 90

150 80 2 80 70

280 230 1 85 100


GPa -

69,0 0,33

75,0 0,33

75,0 0,33

73,0 0,33


Coste (1)

Temperatura de fusión Contracción lineal Fragilidad de contracción Colabilidad Maquinabilidad Soldabilidad Resistencia en caliente Resistencia corrosión

€/kg °C %

[1÷5] [1÷5] [1÷5] [1÷5] [1÷5] [1÷5]

2.10 650 1,6 [5] [2] [2] [5] -

[5]

1,90 575÷585

1,1 [5] [5] [1] [4] -

[5]

2,10 555÷590

1,2 [5] [5] [3] [4] -

[4]

1,90 515÷615

1,3 [5] [4] [3] [4] [3] [2]

(1) El sobrecoste del proceso de moldeo, en función de les dimensiones y la complejidad de la pieza (molde a parte), es:



Grupo Al-Mg Grupo Al-Cu Gru. Al-Zn

L-2630 38.263

L-2310 38.231

L-2341 38.235

L-2140 38.214

L-2150 38.215

L-2710 38.271

AlSi8Cu3 AlMg10 AlMg3 AlCu4MgTi AlCu4Ni2Mg AlZn5Mg

A380.0 3.2161

520.0 (3.3591)

~512.0 3.3541

204.0 3.1371

242.0 3.1754

(712.0) -

3,5 -

8,5 - -

- 10,0

- - -

- 3,0 - -

Ti 0,15

4,60 0,25

- -

Ti 0,20

4,0 1,5 - -

Ni 2,0

0,25 0,60

- 5,20

Cr, Ti 0,2

2,72 21,0 875 110 63

2,57 24,5 910

70÷100 82 (T4)

2,67 24,0 900

110÷160 60

2,75 23,0 860

125÷160 47

2,80 22,5 860

167/130 39/52

2,81 24,7 865 138 49

Inyección S Coquilla S C Arena Coquilla Arena Coquilla S C

F T4 F T4 T6 T6 T4 T6 T4 T6 F T6 F T6 T5 T5

190 135 2 -

85

275 145 10 95 80

220 145 6 -

70

310 180 10 -

85

210 130 2 -

80

200 150 4 -

80

295 185 6 75 95

305 195 4 -

100

325 195 7 -

100

335 225 5 -

110

150 - - -

70

220 180

- -

95

170 - - -

80

260 220 0,5 65 110

210 140 5 60 70

220 150 7 60 80

74,0 0,33

69,0 0,33

69,0 0,33

75,0 0,33

71,0 0,33

72,0 0,33

1,80 520÷590

1,2 [5] [5]

[3÷4] [1] [3] [1]

- 450÷605

1,2 [4] [2] [5] [3] [3] [5]

2,40 590÷640

1,4 [2] [3] [3] [3] -

[5]

2,60 530÷635

1,4 [1] [2] [4] [2] [3] [2]

- 530÷635

1,4 [1]

[2÷3] [4] [2] [5] [2]

- 570÷615

1,5 [1] [2] [4] [3] -

[4]

a) Molde de arena: 2,00 a 9,00 €; b) Coquilla por gravedad: 2,00 a 5,00 €/kg; c) Inyección: 2,20 a 2,80 €/kg

13 METALES NO FÉRRICOS 13.2 COBRE Y ALEACIONES DE COBRE


13.2 Cobre y aleaciones de cobre

Introducción El cobre, en la forma de bronce tradicional (aleación de Cu-Sn), hace más de 5.000 años que es conocido por el hombre y ha dado nombre a una de las eras de la evolución de la humanidad (la edad del bronce). Las cualidades más destacadas del Cu y de sus aleaciones, origen de sus princi-pales aplicaciones, son una excelente conductividad eléctrica (usos eléctricos, resistividad eléctri-ca de 16,7 nΩ·m, la mejor entre los materiales usuales), una excelente conductividad térmica (elementos de disipación; intercambiadores de calor) y una buena resistencia a la corrosión (usos sanitarios, elementos resistentes a la corrosión). A la vez combina las cualidades anteriores con una resistencia mecánica aceptable (intermedia entre los aceros y los aluminios) y una excelente aptitud para la conformado, especialmente gracias a su ductilidad. Los factores que pesan en el lado negativo de la balanza son una densidad elevada (8,93 Mg/m3, un 15% superior a la de los aceros) y un elevado coste influido negativamente por la densidad. El cobre y sus aleaciones han sido sustituidos en muchas de sus aplicaciones tradicionales por otros materiales: el aluminio, en los usos eléctricos; los plásticos, en aplicaciones que requieran resistencia a la corrosión; o los aceros inoxidables, en aplicaciones que exijan una buena resistencia mecánica. El cobre utilizado en estado industrialmente puro tiene aplicaciones eléctricas y térmicas mientras que, el diseño de máquinas usa preferentemente sus aleaciones: latones, aleaciones de Cu-Zn; bronces tradicionales, aleaciones de Cu-Sn. Y en menor proporción: bronces al aluminio, alea-ciones de Cu-Al; bronces al berilio, aleaciones de Cu-Be; y cuproníqueles, aleaciones de Cu-Ni.

Cobres Según la forma de elaboración, se distinguen varios tipos de cobre industrial: a) Cobre electrolí-tico (Cu-ETP, electrolytic tough pitch), cobre refinado electrolíticamente con más de 99,90% de Cu y trazas de O (~0,04%); fruto de la combinación del oxígeno con las impurezas, la conducti-vidad eléctrica resulta excelente (100% IACS, International Annealed Copper Standard, corres-pondiente a una resistividad de 17,24 nΩ·m) por lo que se usa en aplicaciones eléctricas (hilos conductores, barras, platinas, contactores); sin embargo, si se calienta por encima de 400ºC en atmósferas reductoras, la presencia del oxígeno en combinación con el hidrógeno da lugar a un fenómeno de fragilización, por lo que conviene evitar la soldadura o su uso más allá de esta tem-peratura. b) Cobre fosforoso (Cu-DHP, desoxided high phosphorous), cobre con más del 99,85% de Cu, desoxidado por medio de P, con lo que es para la soldadura (tubos y chapas para servicios sanitarios, intercambiadores de calor); sin embargo, un contenido residual de P (~ 0,04%) dismi-nuye la conductividad eléctrica. c) Cobre libre de oxígeno (Cu-FRHC, fire-refined high conduc-tivity), cobre obtenido por fusión en una atmósfera reductora, con el oxígeno limitado a 0,003%, apto tanto para conductor eléctrico como para soldadura. El Cu puro es muy dúctil y se conforma fácilmente en frío y en caliente pero su maquinabilidad es muy baja y es difícil de moldear (fisuras superficiales, formación de cavidades interiores a causa de su gran contracción), por lo que los Cu para moldeo incorporan elementos de aleación. La resistencia mecánica de los distintos tipos de Cu puro es sensiblemente la misma, y depende del grado de deformación en frío que han experimentado. La temperatura de servicio es relati-vamente baja y viene marcada por la recristalización (140÷ 220ºC). La adición de pequeñas can-tidades de plata (0,05% Ag), Cu-Ag, aumentan esta temperatura hasta 350ºC sin modificara la conductividad eléctrica. La adición de telurio (0,50% Te) aumentan mucho la maquinabilidad, mientras que otros elementos de aleación, en proporciones un poco mayores, pueden aumentar espectacularmente la resistencia mecánica y mantener una alta conductividad eléctrica: aleacio-nes Cu-Cr-Zr o Cu-Co-Be para electrodos de soldadura.



Latones Aleaciones de Cu-Zn (eventualmente con otros elementos) que combinan un coste relativamente bajo (el Zn es más barato que el cobre) con una buena resistencia a la corrosión, conductividad eléctrica y térmica, resistencia mecánica, ductilidad y maquinabilidad. Los latones no ofrecen las buenas cualidades de deslizamiento ni la tenacidad de los bronces. En agua marina, o aguas dulces con alto contenido de oxígeno, los latones están sometidos a un proceso de corrosión llamado deszincificación, por disolución de la aleación y deposición del Cu en forma porosa; la adición de pequeñas cantidades de Sn (latones navales) o de Al protegen las aleaciones de esta fenómeno.

Latones para deformar en frío Latones con un contenido de 20÷ 37 % de Zn, para conformar mediante grandes deformaciones en frío, que obtienen un máximo de resistencia mecánica y de ductilidad para un 30% de Zn; más allá de este porcentaje, se mantiene la resistencia pero disminuye ligeramente la ductilidad. Las principales aleaciones son: latón CuZn30 (L-6130 según UNE, llamado también latón de cartu-chería) que se utiliza especialmente para piezas conformadas por embutición profunda (vainas de bala, roscas de lámpara); latones CuZn35 y CuZn37 (L-6135 y L-6137 según UNE), de conteni-dos más elevados de Zn (más baratos) que, pese a ser menos dúctiles son los más usados (torti-llería de latón, muelles de lámina, grifería).

Latón de forja en caliente Los latones de contenido de Zn de 38÷ 44 % presentan una estructura cristalina no adecuada para el trabajo en frío, pero si tienen una excelente plasticidad en caliente. La aleación CuZn40 (L-6140 según UNE, llamada también metal Muntz), más barata que los latones para deformar en frío (alto contenido de Zn), es especialmente adecuada para piezas forjadas y estampadas en ca-liente además de tener una buena maquinabilidad.

Latones de fácil mecanizado La adición de Pb (0,5÷ 4 % ) a los latones facilita la fragmentación del material en el corte y dis-minuye la fricción entre la herramienta y la pieza, con lo que aumenta sensiblemente la maqui-nabilidad (latones de fácil mecanizado). El latón CuZn36Pb3 (L-6425 según UNE) obtiene una mejor maquinabilidad en piezas que requieren deformación en frío seguidas de mecanizado (tor-nillos y tuercas, remaches, piezas recalcadas), mientras que el CuZn39Pb3 (L-644 según UNE) proporciona una gran mejora de la maquinabilidad en piezas forjadas en caliente con mecanizado posterior (manguitos, pernos, cojinetes).

Latones de alta resistencia Latones con moderadas adiciones de Mn, Fe y Al en varias proporciones que dan lugar a un in-cremento sensible de la resistencia mecánica y una mejora de la resistencia a la corrosión y al desgaste. Los representantes de esta familia son el CuZn39AlFeMn (C-6680 según UNE), para piezas forjadas o extrudidas de excelente resistencia mecánica (segmentos de pistón, vástagos de bombas, válvulas, árboles para aplicaciones marinas), y la aleación CuZn37Mn3Al2Si (C-6660 según UNE), para productos forjados o extrudidos en caliente, de excelente resistencia mecánica y al desgaste (válvulas, árboles, piñones y ruedas dentadas, émbolos, sincronizadores, contactores).

Latones navales Latones con pequeñas adiciones de estaño, que mejoran la resistencia a la corrosión, especial-mente la marina. El latón naval CuZn38Sn1 (C-6840 según UNE) tiene una excelente resistencia a la corrosión y un precio moderado, para piezas estructurales y de forja que trabajan en entornos marinos. El latón CuZn38Sn1P (L-6820 según UNE, también llamado latón admiralty) tiene una



excelente resistencia a la corrosión, es soldable y se usa en tubos y placas para condensadores e intercambiadores de calor.

Latones para moldeo Hay varias variantes de latón adecuadas para conformar por moldeo. Entre éstas destacan el latón CuZn33Pb (C-2410 según UNE), de fácil mecanizado, y el latón CuZn25Al6Fe3Mn3 (C-2625 según UNE), de alta resistencia, que tienen características análogas a los latones de forja de las respectivas familias.

Bronces En sentido estricto, este término se aplica a las aleaciones de Cu-Sn (bronces o bronces al esta-ño), pero su uso se ha extendido para designar también otras aleaciones del cobre (a excepción de los latones y los cuproníqueles), que se verán en un próximo apartado (otras aleaciones del Cu): bronces al aluminio (aleaciones Cu-Al) y bronces al berilio (aleaciones Cu-Be).

Bronces fosforosos Aleaciones de Cu-Sn, de elevado coste (el Sn es más caro que el Cu), desoxidados con P, que se conforman tanto por laminación y forja (contenidos de Sn<8%), como por moldeo (normalmente contenidos de Sn de 8÷12%; en las campanas llega al 20%). Se caracterizan por su buena tenaci-dad, elevada dureza, alta resistencia a la corrosión y bajo coeficiente de fricción. Entre los bronces fosforosos de laminación, endurecidos por laminación en frío, el más usual es el CuSn5P (C-7130 según UNE), de gran ductilidad, que se suministra en forma de alambre y láminas (hilo de soldar, elementos de sujeción, discos de embrague, diafragmas). Los bronces fosforosos de moldeo más usuales son: el CuSn10P (C-3112 según UNE), para cojinetes y piezas de deslizamiento en las máquinas, y el CuSn11P (C-3120 según UNE), más resistente al desgaste, para la fabricación de engranajes. La adición de Ni en los bronces de moldeo, CuSn10Ni2 (C-3830 según UNE), mejora la resistencia y la dureza, y pequeñas adiciones de Pb aumentan la maquinabilidad. Por sinteriza-do se obtiene un bronce poroso apto para cojinetes (retiene el lubricante).

Bronces al zinc y bronces rojos La adición de Zn al bronce (CuSn10Zn3 o bronce de cañón, C-3220 según UNE) mejora las cua-lidades de moldeo manteniendo unas buenas propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión; se utiliza en aplicaciones navales, en sistemas de vapor y en anillos de deslizamiento de máqui-nas eléctricas, y es el más usado para estatuas y objetos decorativos. Otros bronces al zinc, con porcentajes de Sn moderados y adiciones importantes de Pb (también conocidos por bronces rojos) presentan simultáneamente una buena colabilidad, maquinabilidad, resistencia a la corro-sión (no son susceptibles de deszincificación, como los latones) y un precio moderado. Las alea-ciones CuSn5Zn5Pb5 (C-3520 según UNE) y CuSn7Zn4Pb6 (C-3530 según UNE), éste segundo ligeramente más resistente, se utilizan en piezas y valvulería de instalaciones de agua, vapor y gas, así como en otros elementos análogos fabricados en serie.

Bronces al plomo para cojinetes Las aleaciones para cojinetes tienen un bajo coeficiente de fricción y una buena resistencia al desgaste y se diferencian por el grado de dureza (aleaciones plásticas, <40 HB; aleaciones blan-das, 40÷80 HB; aleaciones duras, >80HB). La plasticidad garantiza un reparto uniforme de la carga (compensa desalineaciones) y permite absorber partículas duras que así neutralizan su ca-pacidad abrasiva, mientras que la dureza permite aceptar cargas específicas más elevadas. Los bronces al plomo CuSn10Pb10 y CuSn5Pb20 (C-3340 y C-3320 según UNE), de plasticidad creciente con el contenido de Pb, se sitúan entre las aleaciones blandas, y son adecuados para



cojinetes de velocidades y presiones moderadas que trabajan en ambientes corrosivos y en con-diciones de lubricación escasas (minería, ferrocarril). Entre los materiales para cojinetes de ma-yor plasticidad (20÷40 HB) hay los babbits al estaño (80÷90% Sn, Sb, Cu y Pb), de excelentes cualidades antifricción, y los babbits al Pb-Sn (65÷75% Pb, Sn, Sb, Cu), de cualidades antifric-ción menores pero más económicos; mientras que entre las aleaciones más duras (>80HB) hay los bronces fosforosos, los bronces al aluminio y aleaciones de aluminio antifricción.

Otras aleaciones del cobre Bronces al aluminio

Aleaciones de Cu-Al, a menudo con la adición de otros elementos (Fe, Ni, Mn), que destacan por la extraordinaria resistencia a la corrosión (incluso en aguas marinas) gracias a la formación de una capa muy protectora de alúmina, a la vez que ofrecen unas propiedades mecánicas excelen-tes que mantienen hasta temperaturas moderadamente elevadas. Se distinguen dos grupos de aleaciones: a) Aleaciones hasta ~9% de Al: son dúctiles y pueden endurecerse moderadamente por trabajo en frío, mejora mecánica que mantienen hasta temperaturas de 250ºC, mientras que en estado de recocido se pueden usar hasta 400ºC; la aleación más usual, CuAl8Fe (C-8210 según UNE), se usa en equipo para ingeniería química, en la fabricación de monedas y en joyer-ía. b) Aleaciones con 9÷14% de Al, generalmente con Fe y a menudo con Ni o Mn: se pueden tratar térmicamente para obtener mejores características mecánicas (tenacidad, resistencia a trac-ción, al desgaste y a la fatiga). Las aleaciones más usuales son el CuAl10Fe3 (C-8240 para forja y C-4210 para moldeo, según UNE) y el CuAl10Fe5Ni5 (C-8270 y C-4220, respectivamente, según UNE). Esta última combina una excelente resistencia a tracción a 400ºC con una aceptable resistencia a fluencia a 250ºC. Tienen numerosas aplicaciones marinas (válvulas, bombas, héli-ces) y en máquinas (cojinetes, engranajes, ruedas de tornillo sin fin, tornillos y tuercas, guías de válvula, levas; elementos de moldes para plástico).

Cobre (o bronce) al berilio Aleaciones de Cu con pequeños porcentajes de Be (1,7÷2%), que son tratadas térmicamente para obtener una gran mejora de sus características mecánicas (resistencia a la tracción extraordinaria, hasta 1400 MPa, y límite elástico hasta 1300 MPa; buena dureza y resistencia al desgaste), mante-niendo una buena resistencia a la corrosión y una elevada conductividad eléctrica. La aleación Cu-Be1,7CoNi (C-9415 según UNE) se usa para fabricar muelles no magnéticos, piezas elásticas que deben conducir la corriente eléctrica, así como piezas sometidas a fatiga o a elevadas solicitaciones mecánicas que deben ser resistentes a la corrosión. También se usa en moldes para plástico.

Cuproníqueles y platas alemanas Los cuproníqueles son aleaciones de Cu-Ni, para forja o moldeo, de gran resistencia a la corro-sión en agua salada, destinados a usos navales, a plantas de desalinización de agua de mar y a aplicaciones análogas. Las composiciones varían entre 10÷30% de Ni, a menudo con adiciones de Fe y Mn. Las aleaciones más usadas son CuNI10Mn1Fe y CuNi30Mn1Fe (C-9213 y C-9215 según UNE), la segunda más resistente a la erosión que la primera. Las platas alemanas son alea-ciones de Cu-Ni-Zn en proporciones tales que adquieren una apariencia de plata. Se suministran como materiales para forja y entonces presentan unas propiedades de deformación en frío exce-lentes, a también para moldeo. Algunas aleaciones contienen Sn (mejora la colabilidad) o Pb (mejora la maquinabilidad). Además de usarse en cubertería y en finalidades decorativas, la alea-ción CuNi18Zn27 (C-9233 según UNE) se aplica en muelles para contactos eléctricos que sean estables todas las condiciones climáticas.



Taula 13.3 Cobre y aleaciones de cobre

Cobre electrolítico cobre fosforoso

Latones para forja

deformación en frío def.caliente de fácil

ISO 1191 UNE 37.103

Cu 99,95 CuZn30 C-6130

CuZn35 C-6135

CuZn40 C-6140

CuZn39Pb3 C-6440

Número DIN Número UNS

Diversos

2.0265 C 26000

2.0335 C 27000

2.0360 C 28000

2.0375 C 36000


Cobre Cu Zinc Zn Estaño Sn+ Plomo Pb Aluminio Al Níquel Ni Otros

% % % % % % %

>99,95 70 30

65 35

60 40

61 36 3


Densidad Coeficiente dilatación Calor específico Conductividad térmica Resistividad eléctrica Conductividad eléctrica


%IACS

8,94 17,0 385 391 17,1

100÷101

8,53 19,9 375 120 62 28

8,47 20,3 384 116 64 27

8,39 20,8 375 123 62 28

8,50 20,5 380 123 66 26


Tratamiento O H1 H4 O H4 O H4 H8 O H2 O H4

Resistencia tracción Resistencia cortadura Límite elástico Alargamiento a rotura Límite de fatiga 5⋅108 Dureza

MPa MPa MPa

% MPa HB

220 150 70 45 70 45

260 170 205 25 -

95

345 195 310 6 90 115

325 230 125 62 90 70

525 435 305 8

145 82

325 105 230 62 85 -

510 415 295 8 97 80

625 425 325 3

140 90

370 145 275 45 - -

485 345 305 10 -

75

280 - -

12 - -

450 - - 5 -

75

105 -

GPa -

115 -

110 0,37

105 -

105 0,34

97 0,31


Coste Temperatura de fusión Conformación en frío Conformación en caliente Maquinabilidad Soldabilidad Resistencia corrosión

€/kg °C

[1÷5] [1÷5] [1÷5] [1÷5] [1÷5]

3,00÷5,10 1083 [5]

[4÷5] [1]

[2÷3] [4]

2,70 915÷955

[4] [2] [2]

[2÷3] [4]

- 905÷930

[4] [1] [2]

[2÷3] [3]

- 900÷905

[2] [4] [3]

[2÷3] [3]

- 875÷890

[3] [3]

[4÷5] [1] [3]



Bronces para forja

mecanizado de alta resistencia navales al estaño al aluminio

CuZn39Pb3 C-6440

CuZn39AlFeMn C-6680

CuZn25Al5Fe1Mn C-6620

CuZn38Sn C-6840

CuZn28Sn1P C-6820

CuSn5P C-7130

CuAl8Fe3 C-7150

2.0401 c 38500

- -

- -

- C 46400

~2.0470 C 44500

- C 51000

2.0932 C 61400

57 39 - 3 - - -

58 39 - -

0,8 -

Fe 0,8 Mn 1,1

68 25 - - 5 -

Fe 1,5 Mn

61 38 1 - - - -

71 28 1 - - - P

95 - 5 - - -

P 0,4

89 - - -

7,5 -

Fe 2,5

8,47 20,9 380 123 62 28

8,28 21,5

- -

72 24

8,95 20,3

- -

102 16

8,41 21,2 380 116 66 26

8,53 20,2 380 110 69 25

8,86 17,8 380 84 87 18

7,89 16,2 375 56 123 14

O H2 Extruït O H2 O H4 O H4 H8 O H4

370 -

110 35 -

90

460 -

260 15 -

160

450 -

220 20 140 130

650 -

290 12 - -

425 315 205 40 -

100

550 -

365 20 -

150

365 -

150 65 -

75

630 -

495 4

120 165

325 250 130 64 170 70

540 345 440 10 180 170

700 385 620 4 -

205

520 275 230 40 160 140

615 310 350 20 170 190

97 -

105 -

105 -

105 -

105 -

122 -

115 0,31

2,10 890 [1] [4] [5] [1] [3]

- 860÷880

[1] [3] [2] [1] [4]

4,20 -

[1] [3]

[2÷3] [2] [3]

- -

[2] [4] [2] [2]

[4÷5]

- -

[4] [2] [2] [2] [5]

5,10 975÷1060

[4] [1] [1] [3] [4]

8,40 1045 [2] [3] [2] [2] [4]



Taula 13.3 Cobre y aleaciones de cobre (continuación) Otras aleaciones para forja Latones para moldeo

Cu-Ni plata alem. Cu-Be fácil meca. alta resistencia

ISO 1191 UNE 37.103

CuNi30Mn1Fe C-9215

CuNi18Zn227 C-9233

CuBe1,7CoNi C-9415

CuZn33Pb2 C-2415

CuZn25Al6Fe3Mn3 C-2625

Número DIN Número UNS

2.0882 C 71700

2.0742 C 77000

- C 17000

~2.0290 ~C 85700

~2.0598 C 86300


Cobre Cu Zinc Zn Estaño Sn Plomo Pb Aluminio Al Níquel Ni Otros

% % % % % % %

68 - - - -

30 Mn 1 Fe 0,7

54 27 - - -

18 -

97 - - - -

0,4 Be 1,7 Co

65 33 - 2 - - -

63 25 - - 6 -

Fe 3 Mn 2,8


Densidad Coeficiente dilatación Calor específico Conductividad térmica Resistividad eléctrica Conductividad eléctrica


%IACS

8,94 16,2 380 21 375 4,5

8,70 16,7 380 29 314 6,3

8,26 16,7 420 118 75 22

8,43 21,0 375 86 85 20

7,90 22,0 375 35 85 20


Tratamiento O H4 H4 H8 TD4 TH4 arena arena centr

Resistencia tracción Resistencia cortadura Límite elástico Alargamiento a rotura Límite de fatiga 5⋅108 Dureza

MPa MPa MPa

% MPa HB

380 -140 45 -

90

580 -

540 15 -

150

690 -

585 3 -

90

795 - - - -

100

825 -

760 8

270 102

1340 -

1240 2

310 350

170÷200 -

80÷110 10÷30 45÷65

50

725 -

400 15 -

180

820 -

460 18 -

225


GPa -

150 -

125 -

155 0,30

100 -

105 -


Coste Temperatura de fusión Conf.frío/Contracción Conf.caliente/Colabilidad Soldabilidad Maquinabilidad Resistencia corrosión

€/kg °C

[1÷5]/% [1÷5] [1÷5] [1÷5] [1÷5]

18,00 1170÷1240

[3÷4] [3÷4] [4÷5]

[2] [5]

- 1055 [4] [2] [3] [2] -

19,20 865÷960

[3] -

[3] [1] [4]

- 915÷930 1,5÷1,8

[3] -

[4] [2]

- 890÷925

2,3 [2÷3]

- [2] [2]



Bronces para moldeo

fosforoso al zinc rojo al plomo al aluminio

CuSn11P C-3120

CuSn10Zn2 C-3220

CuSn5Zn5Pb5 C-3520

CuSn10Pb10 C-3320

CuSn5Zn20 C-3340

CuAl10Fe3 C-4210

CuAl10Fe5Ni5 C-4220

- ~C 90700

- C 90500

- C 83600

- C 93700

- C 94100

- ~C 95200

- ~C 95500

88 - 11 - - -

P 0,8

86 2 10

<1,5 - -

Ni<2,0

84 5 5 5 -

<2,5 -

79 <2 10 9,5 -

<2 -

73 <2 5 20 -

<2,5 -

86 - -

<0,02 10 <3

Fe 3,5

78 - -

<0,02 10 5

Fe 4,5 Mn<3

8,77 18,0 375 71 178 9,6

8,70 20,0 375 74 155 11

8,83 18,0 380 72 114 15

8,95 18,5 375 47 170 10,2

9,40 18,5 375 52 171 10

7,45 16,2 420 59 133 13

7,53 16,2 418 42 203 8,5

arena coqu. arena centr arena centr arena coqu. arena coqu. arena coqu. arena centr

305 -

150 20 -

80

380 -

205 16 170 102

270 -

130 13 -

75

300 -

140 8 -

75

200 -

100 13 -

60

250 -

110 13 75 60

240 -

125 20 -

60

260 -

150 -

90 60

150 -

60 - -

50

180 -

80 -

65 50

520 -

180 13 -

115

580 -

210 15 200 145

620 -

275 18 215 160

760 -

310 18 225 175

105 -

105 -

85 -

85 -

72 -

110 0,32

110÷115 0,32

- 830÷1000 1,5÷1,8

[4] -

[2] [4]

- 860÷880

1,6 - -

[2] -

- 855÷1100

5,7 [5] -

[1] [3÷4]

- 760÷930

2,0 [5] -

[4] [3]

- 800÷940

1,5 [3] -

[4] [3]

9,60 1025÷1040

1,6 [1] -

[3] [4÷5]

10,80 1040÷1055

1,6 [1] -

[3] [4÷5]

13 METALES NO FÉRRICOS 13.3 OTRES METALES


13.3 Otros metales

Además de las tres familias de metales analizadas en los apartados anteriores (aleaciones de Fe, Al y Cu), que cubren el grueso de las aplicaciones en el diseño de máquinas, en este último capí-tulo de los materiales metálicos se consideran brevemente otras cinco familias de metales (alea-ciones del Zn, Mg, Ti, Ni y superaleaciones), con aplicaciones más específicas.

Zinc y aleaciones de zinc El zinc puro se caracteriza por un punto de fusión bajo (420ºC) y por unas propiedades mecáni-cas muy moderadas. En estado puro se utiliza, en su mayor parte (>50%), en la galvanización del acero y también en forma de planchas laminadas para tejados de edificios. Sin embargo, donde tiene más interés en el diseño de máquinas es en las aleaciones de moldeo para inyectar en coqui-lla ya que, con un material de punto de fusión muy bajo, se obtienen piezas de gran precisión dimensional y resistencia mecánica aceptable. Los principales elementos de aleación son: el Al, que aumenta la colabilidad del Zn; el Cu, que aumenta la resistencia mecánica; y el Mg, que, en pequeños porcentajes, mejora mucho la resistencia, pese a que es en detrimento de la colabilidad y la tenacidad. La presencia de otros elementos (Pb, Sn o Fe) ejerce un efecto muy negativo so-bre la tenacidad, por lo que debe partirse de materiales con impurezas muy bajas. AG40A (aleación 3); AC41A (aleación 5) Estos materiales, conocidos también con el nombre comercial de Zamak, con un contenido de Al limitado al 4% y presencia de otros elementos, son las aleaciones estándar de Zn para moldeo en coquilla por inyección en cámara caliente (más eficiente que en cámara fría); tanto la productividad como la duración del molde son más altas que en los materiales competidores (aleaciones de alu-minio, magnesio y cobre). En estado fundido tienen una gran fluidez, y permiten fabricar piezas de paredes muy delgadas (compensan la densidad relativamente alta del material) y formas complica-das de una gran precisión dimensional y una resistencia aceptable, a un coste competitivo (menor que el bronce, pero mayor que la fundición nodular y el aluminio). La aleación 3 es la más utiliza-da, mientras que la aleación 5 ofrece mejores propiedades mecánicas y resistencia a la fluencia. ZA-8, ZA-12, ZA-27 Constituyen una nueva generación de aleaciones de Zn con contenidos mayores de Al (la cifra indica aproximadamente el contenido), destinados inicialmente al moldeo por inyección en cámara fría, pero que también pueden moldearse por gravedad en coquilla o en molde de arena. Su superior coste (10÷15%) y su menor eficiencia en la fabricación hacen que su interés radique en sus mejores propiedades. La aleación ZA-8, moldeada por gravedad, tiene un excelente aca-bado superficial; la aleación ZA-12, que combina una buena resistencia mecánica y al desgaste con una buena colabilidad y un coste moderado, es el más usado de este grupo; finalmente, la aleación ZA-27, de propiedades mecánicas más elevadas, tiene ciertas restricciones de diseño en secciones gruesas. Cabe destacar las excelentes cualidades que presentan estas dos últimas alea-ciones como cojinetes (coeficiente de deslizamiento, presiones admisibles, resistencia al desgas-te) que las hace comparables, si no superiores, a los bronces para cojinetes.

Magnesio y aleaciones de magnesio El magnesio y sus aleaciones se caracterizan por tener la densidad más baja entre los metales estructurales (1,74 Mg/m3, 64% de la de las aleaciones de Al y 22% de la de los aceros), por lo que, a pesar de sus moderadas características mecánicas, las relaciones de resistencia/densidad y rigidez/densidad sean favorables en muchas aplicaciones (aviación, automoción, objetos portáti-les, piezas sometidas a grandes aceleraciones).



Propiedades Además de la baja densidad, las aleaciones de magnesio tienen una buena resistencia a la corro-sión (forman una capa de óxido estable, susceptible de anodización), pero en atmósfera salina son muy sensibles a las impurezas de Fe, Cu y Ni. La resistencia mecánica varía mucho según los elementos de aleación (Al, Mn, Zn, Zr, Th y tierras raras) y, a pesar de que las temperaturas de uso están limitadas generalmente a 150ºC, algunas de las aleaciones permiten llegar a los 400ºC. Destacan también la buena resistencia a la fatiga (aunque muy sensible a la entalla) y el gran amortiguamiento interno. Como factores limitadores hay el elevado coeficiente de dilata-ción (baja estabilidad dimensional) y el coste superior al del aluminio. Conformación Las aleaciones de magnesio tienen limitada la deformación en frío debido a la gran acritud que adquieren con pequeñas deformaciones, pero se conforma bien en caliente (entre 200÷370ºC) por extrusión (barras de diferentes secciones, tubos, perfiles), laminación (chapas) y forja. Se funden con facilidad (temperaturas <650ºC), y se moldean tanto en arena como en coquilla (por gravedad o a presión). Admiten el endurecimiento por deformación y por tratamiento térmico, análogamente a los aluminios, y utilizan las mismas designaciones. Tienen una excelente maqui-nabilidad y son fácilmente soldables. Aleaciones para forja y extrusión La aleación MgAl3Zn (L-6110 según UNE, AZ31 según ASTOM) es la de uso más generalizado para piezas forjadas y productos extrudidos y laminados de magnesio (una variante, conocida como PE, se utiliza para fotograbado). La aleación MgAl8Zn (L-6130 según UNE, AZ80 según ASTM), tratable térmicamente, ofrece una resistencia mayor pero una ductilidad muy limitada. La aleación MgZn6Zr (L-6221 según UNE, ZK60 según ASTM), combina una resistencia mecá-nica más elevada con una buena tenacidad. Las aleaciones MgTh2Mn (HM21 según ASTM) para productos laminados, y MgTh3Mn (HM31 según ASTM), para productos extrudidos, el segundo de resistencia mayor, ofrecen un comportamiento mecánico excelente (resistencia y fluencia) a temperaturas elevadas (hasta 340ºC y 420ºC, respectivamente); se usan en aviación y en misiles. Aleaciones para moldeo La aleación MgAl6Zn3 (AZ63 según ASTM) es adecuada para piezas moldeadas en arena, mien-tras que la aleación MgAl9Zn1 (AZ91 según ASTM) es especialmente indicada para piezas mol-deadas en coquilla (objetos portátiles, piezas de vehículos). Para evitar los problemas de corro-sión tradicionales en las piezas moldeadas de magnesio, se han adoptado aleaciones de pureza mayor (AZ91D para inyección y AZ91E para moldes de arena).

Titanio y aleaciones de titanio A pesar de su abundancia en la naturaleza, las dificultades de la obtención metalúrgica del Ti derivadas de su gran reactividad a temperaturas elevadas (entre 800ºC y el punto de fusión, a 1670ºC), hacen que no se haya iniciado la comercialización (y, aún, a escala reducida) hasta los años 50 y que el coste resulte extremadamente elevado (50÷ 100 veces el del acero). Propiedades y aplicaciones El Ti y sus aleaciones se caracterizan por su elevada resistencia mecánica (útil hasta temperatu-ras de 300 ÷ 500ºC), su baja densidad (57% de la de los aceros) y su buena resistencia a la corro-sión (se forma espontáneamente una capa protectora de óxido). Las principales aplicaciones se relacionan, por un lado, con componentes estructurales de alta resistencia en sistemas que exijan ligereza (aviación, automoción, equipo deportivo de alta competición, elementos sometidos a grandes aceleraciones, ultracentrifugadoras) y por otro, con equipo sometido a fuertes solicita-



ciones mecánicas que exija una alta resistencia a la corrosión (procesos químicos, industria ali-mentaria y del papel, instrumentos médicos, prótesis quirúrgicas). Otras propiedades de interés del Ti y sus aleaciones son la buena resistencia a la fatiga, el bajo coeficiente de dilatación (bue-na estabilidad dimensional) y las buenas propiedades a bajas temperaturas (aplicaciones criogé-nicas con Ti comercialmente puros o aleaciones de Ti α). Conformado La gran reactividad del Ti en caliente preside la fabricación de piezas de este metal y sus aleacio-nes. El mercado ofrece varios productos semielaborados (barras, perfiles, chapas, planchas), que se transforman por deformación en frío (chapas, generalmente de Ti comercialmente puro) o por forja en caliente (aproximación a la forma final de la pieza final, con ahorro de material de coste eleva-do). En este último caso debe tenerse cuidado de no contaminar el material (atmósfera inerte o ligeramente oxidante). Mediante determinadas precauciones (refrigeración abundante, velocidades lentas, pasadas profundas, suporte rígido de la herramienta), también puede ser mecanizado. Es posible la soldadura MIG, TIG y por puntos, así como determinados recubrimientos, como la nitru-ración. El moldeo presenta dificultades debido a la gran reactividad ya mencionada pero la fusión en el vació y la colada en moldes especiales de grafito proporciona una buena solución. Titanios comercialmente puros y de baja aleación Los Ti comercialmente puros, de resistencia mecánica relativamente baja (pero equivalentes los aceros de construcción) no tienden a endurecerse por deformación, por lo que ofrecen unas bue-nas propiedades para la conformación en frío. Hay 4 grados de pureza (Ti99,6 a Ti99,0) con re-sistencias mecánicas crecientes y ductilidades decrecientes. Presentan una excelente resistencia a la corrosión en ambientes oxidantes, pero más escasa en ambientes reductores. La adición de un 0,2% de Pd (Ti99,4Pd) mejora extraordinariamente la corrosión en estas circunstancias sin afec-tar a la resistencia. Todos estos materiales pueden usarse hasta 350ºC sin perder sus propiedades mecánicas, y hasta 500ºC sin presentar problemas de oxidación. Sus principales aplicaciones son la industria química (intercambiadores de calor, condensadores, desalinización del agua de mar, fabricación de la pulpa de papel) y aeronáuticas (fuselajes). Aleaciones de Ti Las aleaciones de Ti se usan cuando se requieren mayores resistencias mecánicas que con los Ti comercialmente puros. Se clasifican en tres grupos en función de las microestructuras presentes a temperatura ambiente: a) Aleaciones de Ti α (estructura hexagonal), soldables, de resistencias medias que mantienen hasta temperaturas relativamente elevadas, pero no tratables térmicamente y con la peor aptitud para el conformado en frío; la aleación TiAl5Sn2 se utiliza en turbinas de gas, aplicaciones aeroespaciales y procesos químicos que requieran soldadura y el mantenimien-to de las características mecánicas a temperaturas de hasta 480ºC. b) Aleaciones de Ti α+β: com-binan la estructura hexagonal α con la cúbica β, más fácilmente deformable en frío; son endure-cibles por envejecimiento hasta valores de 1200 MPa, pero la resistencia a la fluencia resulta insuficiente por encima de los 300º; las aleaciones TiAl6V4 (la más usada) y TiAl6V6Sn2 tienen una gran diversidad de aplicaciones en aeronáutica (tanto en el motor como en el fuselaje), pro-cesos químicos (recipientes a presión), instrumental quirúrgico y elementos de máquinas someti-dos a grandes solicitaciones dinámicas; para endoprótesis se usa la aleación TiAl5Fe2,5, ya que combina una elasticidad y una resistencia mecánica elevadas con una gran compatibilidad con los tejidos humanos. C) Aleaciones de Ti β, menos utilizadas, ofrecen las ventajas sobre el Ti α+β de una mayor tenacidad para un mismo nivel de resistencia y la posibilidad de endureci-miento por envejecimiento, incluso en piezas de secciones gruesas, pero presentan temperaturas de uso relativamente bajas (<350ºC); la aleación TiV13Cr11Al3 se usa en componentes aeronáu-ticos militares sometidos a solicitaciones extremas.



Níquel y aleaciones de níquel El Ni y sus aleaciones destacan por su excelente resistencia a la corrosión, sus buenas caracterís-ticas mecánicas (próximas a la de los aceros) y el mantenimiento de estas propiedades a tempera-turas altas (500 ÷ 1150°C) y bajas (-200 ÷ 0°C). Las principales limitaciones en su utilización derivan de su elevado conste y, en menor grado, de su elevada densidad. A través de sus extraordinarias propiedades, el níquel y, sobretodo, sus aleaciones han contribui-do de forma destacada al progreso de la técnica. Entre los materiales en los que el níquel inter-viene de forma destacada hay: aceros inoxidables (ya estudiados en la Sección 12.6); superalea-ciones (analizadas más adelante); aleaciones con propiedades especiales (baja dilatación, resis-tencia eléctrica, propiedades magnéticas, memoria de forma). Y, entre los campos que ha contri-buido y continua contribuyendo a desarrollar, hay: a) Máquinas y motores: turbinas de gas (avia-ción); turbinas de vapor (centrales térmicas y nucleares); motores alternativos (escape, turbo-compresores). b) Procesos químicos con altas exigencias térmicas y/o de presión en medios agre-sivos (industrias petroquímica, papelera, alimentaria; desalinización de agua de mar: fabricación de productos químicamente agresivos; equipo de control de la polución). c) Medios de fabrica-ción (herramientas y matrices para trabajo en caliente; hornos y equipo para tratamientos térmi-cos; sistemas de manipulación a altas temperaturas). El mercado ofrece una notable diversidad de productos de laminación de níquel y de aleaciones de níquel, presentados en forma de chapas, barras, perfiles, así como también aleaciones para moldeo, que contienen elementos adicionales (Si, Mn) a fin de aumentar su colabilidad. Los principales materiales sobre la base del Ni se agrupan en las familias siguientes: a) Níqueles de baja aleación; b) Aleaciones de Ni-Cu; c) Superaleaciones sobre la base del Ni. Las dos prime-ras se presentan a continuación, mientras que la tercera se trata, conjuntamente con el resto de superaleaciones, en el próximo apartado. Níqueles de baja aleación El níquel comercialmente puro, Níquel 200 (con trazas de Fe, Cu, Mn, Si y <0,15% C), de resis-tencia mecánica moderada, es especialmente resistente al ataque de los agentes químicos, pero más allá de 325ºC pierde la ductilidad debido a la precipitación del carbono (el Níquel 201, con un porcentaje muy limitado de C, 0,01% C, puede utilizarse a temperaturas mayores); sus aplica-ciones son la industria química y alimentaria, la fabricación de productos cáusticos, de fibras sintéticas y de componentes electrónicos. El Duraníquel 301, con adición de Al y Ti puede endu-recerse por precipitación y adquiere características mecánicas propias de los muelles mantenien-do a la vez la misma resistencia a la corrosión. Aleaciones de Ni-Cu (Monel) Estas aleaciones abaratan el coste del Ni (el Cu tiene un coste menor) sin perder las característi-cas anticorrosivas y obtienen una mejor resistencia mecánica hasta unos 300ºC. La aleación Mo-nel 400, con un 31% de Cu, es resistente, tenaz y dúctil, fácilmente conformable por moldeo, forja y mecanizado y se suelda bien; se utiliza en aplicaciones marinas, intercambiadores de ca-lor, procesos químicos y en ambientes salinos. La aleación Monel K-500, con adiciones de Al y Ti, puede endurecerse por envejecimiento, de manera que adquiere una resistencia mucho más elevada; se utiliza para rotores de bomba, hélices, válvulas, muelles no magnéticos y tornillos sometidos a elevadas solicitaciones en medios semejantes al Monel 400. Superaleaciones El comportamiento a fluencia y la degradación superficial a altas temperaturas permite establecer cuatro grupos de materiales: a) Hasta temperaturas de 400ºC, son adecuados los aceros al C con pequeñas adiciones de otros elementos (aceros no aleados, o microaleados, de calderas y depósi-



tos a presión), y algunos bronces; b) Hasta temperaturas de 600ºC, son adecuados aceros ferríti-cos al Mo, Cr-Mo o Cr-Mo-V (aceros aleados de calderas, utilizados en centrales de energía y plantas petroquímicas) y determinadas aleaciones del Ti; c) Hasta temperaturas de 650÷700°C, los aceros inoxidables austeníticos y refractarios (turbinas de gas); d) a partir de estas temperatu-ras hay que usar las llamadas superaleaciones. Las superaleaciones son materiales metálicos sobre la base del Fe, Ni y Co que satisfacen dos tipos de requerimientos a elevadas temperaturas (650÷1150°C): a) Evitan la degradación por oxidación o por otras agresiones del medio (gases de combustión, metales líquidos, sales fundi-das); b) Mantienen unas propiedades mecánicas aceptables, especialmente la resistencia a fluen-cia (o creep): en el cálculo resistente a elevada temperatura es más útil conocer la tensión des-pués de un cierto tiempo, obtenida por un ensayo de fluencia, que no la tensión instantánea pro-porcionada por un ensayo de tracción. Las principales aplicaciones de las superaleaciones son: turbinas de gas de aviación (quemadores, cámaras de combustión, rotores); motores alternativos (válvulas de escape con altas solicitaciones); industria química, petroquímica y centrales de energía (reactores, turbinas de vapor, sometidos a presiones y temperaturas elevadas); equipo industrial y hornos (atmósferas oxidantes o reductoras, choques térmicos).

Superaleaciones en base a Fe Las superaleaciones en base a Fe son austeníticas y son combinaciones de Fe-Ni-Cr o Fe-Ni-Co, con varios elementos de adición (Mo, Nb, Al y Ti) para facilitar el endurecimiento por solución sólida o por precipitación. Surgieron como una extensión de los aceros inoxidables austeníticos.

Incoloy 800 Aleación de Fe-Ni-Cr de contenido medio de Ni (30 ÷ 35 %), con valores moderados de resisten-cia mecánica, pero un buen comportamiento a fluencia y una buena resistencia a la corrosión hasta temperaturas elevadas. Adiciones de otros elementos de aleación (Al, Ti) aumentan las características mecánicas (Incoloy 801) o mejoran la resistencia a la corrosión (Incoloy 825).

A 286, Discaloy, V 57; Incoloy 901 Aleaciones de Fe-Ni-Cr, las tres primeras con un contenido moderado de Ni (25÷30%) y la últi-mo con un contenido mayor (40÷45%), todas ellas con adiciones de Mo, Ti y Al, que dan lugar a un endurecimiento por precipitación con lo que consiguen unas elevadas características mecáni-cas. Se aplican a componentes de turbinas de gas hasta la temperatura de 650ºC. La aleación A 286 se usa en las calderas de los reactores nucleares.

Incoloy 903, 907 y 909 Grupo de superaleaciones, en base a una composición de Fe-Ni-Co endurecida por precipitación (la ausencia de Cr las hace más susceptibles de oxidación), que combinan un bajo coeficiente de dilatación (de gran interés en la mejora del rendimiento de las turbinas ya que permite disminuir el juego entre rotor y estator) con unas características mecánicas relativamente elevadas hasta 650ºC.

Superaleaciones en base a Ni Las superaleaciones de este numeroso grupo, con un interesante comportamiento mecánico y a la corrosión a elevada temperatura, se basan en las combinaciones de Ni-Cr-Fe (Inconel y Hastelloy) y de Ni-Cr-Co (Nimonic). Las aleaciones suministradas en chapas (Hasteloy X, Inconel 600) para cámaras, conductos y reactores deben ser lo suficientemente dúctiles para ser laminados y poste-riormente conformados y, en general presentan una buena soldabilidad, mientras que las aleaciones destinadas a barras y productos forjados (Inconel X750, Inconel 718, Nimonic 115) para álabes de turbinas y piezas de máquinas, requieren una buena resistencia mecánica a elevada temperatura.



Taula 13.4 Zinc y aleaciones de zinc

Lamin. Moldeo

ASTM (B-86) (B-791)

Zn0,08Pb

AG40A Zamak 3

AC41A Zamak 5

ZA-12

ZA-27


Aluminio Al Magnesio Mn Cobre Cu Plomo Pb

% % % %

<0,001 -

<0,001 0,10

4 0,035 <0,25 <0,004

4 0,055

1 <0,004

11 0,025

1 <0,005

27 0,015

2 <0,005



Mg/m3 μm/m⋅K


7,14 32,5/23

395 108 62

6,60 27,4 419 113 64

6,70 27,4 419 109 65

6,03 24,1 450 116 61

5,00 26,0 525 125 58


Tipo moldeo (1) Inj Inj S Inj S Inj

Resistencia tracción 20°C 95°C Resistencia compresión Resistencia cortadura L. elástico tracción 0,2% L. elástico compres. 0,1% Alargamiento a rotura Dureza Resistencia fatiga 5⋅108 Resiliencia Resistencia fluencia (2) Módulo de elasticidad

MPa MPa MPa MPa MPa MPa

% HB MPa

J MPa GPa

134/159 - - - - -

65/50 42 17 - - -

280 195 415 215

- -

10 82 48 58 21 -

325 240 600 260

- - 7 91 56 65 - -

299 - -

253 -

230 1,5 94 103 26 69

82,7

405 229

- 296 320 269 5

100 117 29 69

82,7

230 - -

292 -

330 4,5 90 172 48 76

77,9

426 259

- 325 371 359 2,5 119 117 12 69

77,9


Coste Temperatura de fusión Contracción

€/kg °C %

- 419

-

1,80 385 1,17

- 385 1,17

- 432 1,30

- 484 1,30

(1) Propiedad longitudinal/propiedad transversal; (2) Fluencia 1%, durante 105 horas, a 20°C



Taula 13.5 Magnesio y aleaciones de magnesio

Forja Moldeo

UNE 36.037-80

MgAl3Zn L-6110

MgAl8Zn L-6130

MgZn6Zr L-6221

MgAl6Zn3

MgAl9Zn1

ASTM Número DIN

AZ31 3.5312

AZ80 3.5812

ZK60 3.5161

AZ63 3.5632

AZ91 3.5912


Aluminio Al Zinc Zn Magnesio Mn Zirconio Zc

% % % %

3 1

>0,2 -

8 0,50

>0,12 -

6 - -

>0,45

6 3

>0,30 -

9 0,70

>0,13 -



Mg/m3 μm/m⋅K


1,77 26,0

- 96 92

1,80 26,0 1050 76 145

1,83 26,0

- 120

-

1,83 26,1 1050 77

115÷130

1,81 26,0 1050 72

150÷170


Tratamiento H34 T5 T5 F T6 F T6

Resistencia tracción 20°C 200°C Límite elástico 20°C 200°C Alargamiento a rotura Dureza Límite de fatiga 5⋅108 Resiliencia Módulo de elasticidad Módulo de rigidez Coeficiente de Poisson

MPa MPa MPa MPa

% HB MPa

J GPa GPa

-

290 103 220 59 15 73 -

4,3 45 17

0,35

335 195 245 120 6 72 - -

45 17

0,35

350 -

285 -

11 82 - -

45 17

0,35

200 105 95 - 4 50 75 1,4 45 17

0,35

275 120 130 80 5 73 75 1,5 45 17

0,35

230 -

150 - 3 63 95 2,7 45 17

0,35

275 115 145 80 6 70 95 1,4 45 17

0,35


Coste Temperatura de fusión

€/kg °C

- 630

2,70 610

- 635

- 610

- 595



Taula 13.6 Titanio y aleaciones de titanio

Puro Aleaci. α Aleaciones α+β Aleac. β

UNE 38.700-81

Ti99,2 L-7003

TiAl5Sn2 L-7101

TiAl6V6 L-7301

TiAl6V6Sn2 L-7303

TiV13Cr11Al3 L-7701

ASTM (UNS) Número DIN

Grau 3 3.7055

R54520 3.7115

R56400 3.7165

R56620 3.7175

R58010


Aluminio Al Estaño Sn Vanadio V Cromo Cr Otros

% % % % %

- - - -

Fe<0,25

5 2,5 - - -

6 - 4 - -

5,5 2

5,5 -

Fe, Cu

3 -

13,5 11 -



Mg/m3 μm/m⋅K


4,50 9,1 520 16,0 52

4,48 9,4 -

7,6 157

4,43 9,3 560 7,1 171

4,54 9,4 -

6,5 157

4,82 9,4 - - -


Tratamiento recocido recocido rec./env. rec./env. envejecido

Resistencia tracción Límite elástico Alargamiento a rotura Dureza Resiliencia Res. fluencia(2) 325°C Res. fluencia(2) 425°C Módulo de elasticidad Módulo de rigidez Coeficiente de Poisson

MPa MPa

% HB J

MPa MPa GPa GPa

-

490÷590 340

18/16(1) 170

34/27(1) - -

105 39

0,34

789÷860 780 16 360

13÷20 - -

110 - -

900/1070 830/1000

10/8 360/420

17/- 480 220 114 42

0,34

1000/1200 930/1000

8/6 380/420

17/- - -

110 - -

1170÷1220 1100÷1170

8 400 11 - -

102 43

0,30


Coste Temperatura de forja Radio de plegamiento

€/kg °C -

35,00 700÷900

2,5⋅g

- 900÷1100

4,5⋅g

50,00 900÷980

5⋅g

- 840÷920

-

- 650÷950

2,7⋅g

(1) Longitudinal/transversal; (2) Fluencia 1% durante 1000 horas



Taula 13.7 Níquel, aleaciones de Ni y superaleaciones Níquel y aleaciones de níquel Superaleaciones

sen base a Fe

Aleación Nombre comercial Número DIN

200 Níquel 2.4066

400 Monel 2.4360

K-500 Monel 2.4876

800 Incoloy 1.4876

903 Incoloy


Níquel Ni Hierro Fe Cobalto Co Cromo Cr Cobre Cu Molibdeno Mo Aluminio Al Titanio Ti Otros

% % % % % % % % %

99,0 0,40

- -

0,25 - - -

Mn

66 2,50

- -

31 - - -

Mn 1,00

64 2,00

- -

28 -

2,70 0,70

Mn 1,50

32,5 39,5

- 21 - -

0,40 0,40

-

38 41,5 15 - - -

1,40 0,90

Nb 3, Si

Propiedades físicas (3) (3) (3)

Densidad Dilatación térmica (1) Calor específico (2) Conductividad térmica (2) Resistividad eléctrica


8,89 13,3 456 70 95

8,80 13,9 427 21,8 545

8,44 13,7 419 17,5 615

7,94 14,4/- 460/- 11,5/- 990

8,14 8,6/- 435/- 16,8/- 610

Propiedades mecánicas Unitats

Res. Tracción 20/650°C 760/870°C 980°C Límite elástico 20/650°C 760/870°C 980°C Alarg. a rotura 20/650°C 760/870°C 980°C Res. fluencia(4) 650/760°C 870/980°C 1090°C Módulo elástico 20/870°C Dureza 20°C

MPa MPa MPa MPa MPa MPa

% % %

MPa MPa MPa GPa HB

460/- - -

148/- - -

47/- - - - - -

204/- 140÷230

550/- - -

240/- - -

40/- - - - - -

180/- 160÷225

1100/- - -

780/- - -

20/- - - - - -

180/- 255÷370

595/405 235/-

- 250/180

180/- -

54/51 83/-

- 165/66 30/13

- 196/138 180÷300

1310/1000 -/- -

1105/895 -/- -

14/18 - -

510/- -/- -

147/- -


Coste Temperatura fusión

€/kg °C

- 1345÷1445

- 1300÷1350

- 1315÷1350

- 1355÷1385

- 1315÷1390

(1) A 540°C/a 970°C; (2) A 21°C/ a 870°C; (3) A 20°C; (4) Ruptura a fluencia en 1000 horas



en base a Ni en base a Co

600 Inconel 2.4816

X-750 Inconel 2.4669

X Hastelloy

2.4665

718 Inconel 2.4668

115 Nimonic

MA 754

HA 188 Haynes

76 8 -

15,5 - - - - -

73 7 -

15,5 - -

0,70 2,50

Nb 1,00

47 18,5 1,5 22 - 9 - -

W 0,60

52,5 18,5

- 19 - 3

0,50 0,90

Nb 5,10

57,5 -

15 15 -

3,5 5 4

B, Zr

55 -

20 20 - - 3

0,50 Y2O3 0,60

22 3 39 22 - - - -

W 14

8,41 15,1/16,4 445/625 14,8/28,8

1030

8,25 14,6/16,8 430/725 12,0/23,6

1390

8,21 15,1/16,1 485/700 9,1/26,0

1180

8,22 14,4/-

430/645 11,4/24,9

1250

7,85 13,3/16,4

460/- 10,7/22,6

1390

- - - - -

9,13 14,8/17,0 405/565 -/25,1 920

660/450 260/140

- 285/205 180/40

- 45/49 70/80

- (-)/(-) 30/15

- 214/157 180÷300

1200/940 -/- -

815/710 -/- -

27/10 - -

470/(-) 45/-

- 214/153

-

785/570 435/255

- 360/275 260/180

- 43/37 37/50

- 215/100 41/14

- 197/137

-

1435/1228 950/340

- 1185/1020 740/330

- 21/19 25/88

- 595/195

-/- -

200/139 390

1240/1125 1085/830

- 865/815 800/550

- 27/23 24/16

- (-)/420 185/70

- 224/164

-

965/600 345/250

- 585/475 275/215

- 21/25 34/32

- 255/200 160/130

125 - -

960/740 710/635

420 485/305 305/290

260 56/70 61/43

73 (-)/(-) 70/25

- 207/(-)

-

33,00 1355÷1415

- 1395÷1425

- 1260÷1355

- 1260÷1335

- -

- -

- 1300÷1330



Hastelloy X Aleación del grupo Ni-Cr-Fe, con un porcentaje significativo de Co (9%) y trazas de W, que presenta un buen equilibrio entre su elevada resistencia a la oxidación (contenido de Cr relativa-mente alto), una resistencia mecánica moderada pero que se mantiene a elevada temperatura (endurecimiento por solución sólida y precipitación de carburos) y su fabricabilidad (es fácil-mente soldable). Se utiliza en motores de reacción y en cámaras de combustión por encima de los 1050ºC en la industria petroquímica (gran resistencia a la corrosión por tensión).

Inconel 600 Aleación de composición 76Ni-15Cr-8Fe, con una excelente resistencia a la oxidación a altas temperaturas (hasta 1175ºC), pero una baja resistencia mecánica; se usa en componentes de hor-nos, en ingeniería nuclear y en la industria química y alimentaria.

Inconel X750 Aleación de composición similar a Inconel 600, que se endurece por precipitación gracias a adi-ciones de Al y Ti. Tiene unas excelentes características mecánicas y de resistencia a la corrosión por debajo de 700ºC. Su excelente resistencia a la fluencia lo hace especialmente apto para mue-lles, pernos y remaches que trabajan a altas temperaturas, como también para utillaje de extru-sión y de conformado.

Inconel 718 Aleación con contenidos significativos de Mo y Nb y menores de Al y Ti, endurecido por preci-pitación, que ofrece una resistencia a la tracción y a la fluencia muy buena por debajo de los 650ºC y una resistencia a la corrosión excelente hasta 980ºC; se usa en turbinas de gas, reactores nucleares, depósitos de alta presión y temperatura, así como en determinadas piezas (válvulas) o herramientas (hileras de extrusión) que trabajan en caliente.

Nimonic 115 Superaleación de composición Ni-Cr-Co-Mo, con porcentajes de Al y Ti, fundido en el vacío, que facilita el endurecimiento por precipitación y proporciona valores útiles de resistencia a la fluencia hasta cerca de los 1000ºC. También presenta buena resistencia a la fatiga, a la oxidación y a los choques térmicos (motores de reacción y otras aplicaciones industriales que requieran resistencia y durabilidad a altas temperaturas). Otras aleaciones (Nimonic 90, Nimonic 105, Udi-met 500 y Waspaloy, fundidos al aire; Astraloy, fundido al vacío) presentan pequeñas diferencias en la composición que se traducen en variaciones de su comportamiento.

MA 754 Aleación de composición Ni-Cr-Co, endurecida por una dispersión de partículas de óxido de Itrio (Y2O3) producidas mediante metalurgia de polvos a partir de una mezcla de la aleación y del óxido. Proporciona unas buenas características mecánicas que se mantienen hasta temperaturas superiores a los 1000ºC; se ha utilizado en toberas.

Superaleaciones en base a Co Estas aleaciones se endurecen por solución sólida de Cr, Ni y W en la matriz de Co, y ofrecen muy buena resistencia al ataque por corrosión de los gases de escape. Su resistencia es baja, pero mantienen valores útiles de resistencia a la fluencia hasta temperaturas muy elevadas (>1000ºC), donde superan a las superaleaciones sobre la base del Ni. Las aleaciones Haynes 188 y L-605 (o Haynes 25) se utilizan en turbinas de gas a temperaturas comprendidas entre 650÷ 1150°C.

dm413-2006-es-2006-01-25

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