tema3 4 aluminio y aleaciones

CIENCIA DE LOS MATERIALES. INTRODUCCIN A LOS METALES NO FERREOS

METALES NO FERREOS

En la actualidad el consumo de productos siderrgicos es unas 20 veces mayor que el del resto de los metales, lo cual es debido fundamentalmente a la gran variedad de caractersticas que con los mismos es posible conseguir y a su facilidad de fabricacin (se pueden obtener piezas por forja, fundicin, soldadura, mecanizado... siendo a su vez susceptibles de variar sus propiedades por tratamiento trmico). No obstante estas ventajas, tienen el grave inconveniente de corroerse con suma facilidad, razn por la cual no son aptos donde predomina este efecto. Por otra parte, sus propiedades no satisfacen a todas las exigencias de la tcnica moderna, tales como: Buena conductividad elctrica, Elevada relacin resistencia / peso, Refractariedad Aptitud para determinadas formas de moldeo (fundicin inyectada) y de forja (extrusin), Facilidad de mecanizado, Aspecto ornamental (color, brillo y otras). Por alguna de las razones anteriormente expuestas, desde la ms remota antigedad (Edad del bronce) se vienen utilizando metales y aleaciones distintos del hierro. No obstante, el progreso de estas aleaciones ha permanecido estacionario durante milenios y slo desde hace unos aos, con el empleo de mtodos cientficos, se han conseguido aleaciones que han hecho posibles las conquistas de la tcnica actual. El avance espectacular de la exploracin espacial es debido, en gran parte, a las investigaciones de vanguardia en el campo de las aleaciones de titanio, carburos de boro y materiales de tipo cermico, capaces de resistir las temperaturas de 3000 C que se desarrollan en los cohetes. Los metales no frreos ms usuales son: Cu, Sn, Pb, Zn, Ni, Al, Mg. Otros como: Ti, Be, Nb, Ta, Ge, U, Th, son insustituibles en determinadas aplicaciones muy recientes. Convencionalmente se consideran metales ligeros a los que tienen una densidad inferior a 4500 kg m-3. Entre ellos los de mayor importancia tcnica son: Al, Mg, Ti y Be. Las aleaciones en que el metal base es uno de los anteriores, se denominan ligeras. Las aleaciones a base de magnesio reciben tambin la denominacin de ultraligeras. Por el contrario se consideran metales pesados aquellos cuya densidad es superior a dicha cantidad. Entre ellos los de mayor importancia son el Cu, Ni, Zn, Cr y pocos ms. Nosotros estudiaremos los metales ms representativos de cada grupo: De metales ligeros: El aluminio y del grupo de los metales pesados: El cobre.

EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES

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CIENCIA DE LOS MATERIALES. 1. El ALUMINIO

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Hace unos 4000 aos, el hombre ya utilizaba profusamente el bronce. Siete siglos antes de Cristo se construan hachas y otros instrumentos de hierro. Estos metales fueron testigos mudos de la historia de la humanidad y muchas veces protagonistas de su desarrollo tecnolgico. El presente sin embargo tiene otro metal como estrella. Es el aluminio, obtenido industrialmente por primera vez en 1886, el que ocupa ahora la atencin de los mercados internacionales y de la investigacin puntera en nuevas tecnologas. Las nuevas aleaciones ligeras abren grandes posibilidades en la aeronutica, industria del automvil, construccin, embalajes y muchos otros campos del desarrollo industrial. A los 100 aos de su eclosin, el aluminio es el metal lder. Es curioso sin embargo que el aluminio, que es el metal ms abundante de la corteza terrestre y que hoy en da es el segundo metal en grado de utilizacin, no tenga por el contrario ms que una historia de 100 aos. Es una historia vinculada al desarrollo de la teora cientfica y de la experimentacin en laboratorio. Los estudios de Faraday en electrlisis, de Volta en obtencin de electricidad, de Davy, Oersted, Edison y otros muchos fsicos y qumicos, fueron imprescindibles para posibilitar la obtencin del metal. Fue el qumico Hans Christian Oersted el primero que consigui aislar, en 1825, pequeas cantidades de un metal semejante en color y brillo al estao, por reaccin qumica entre el potasio y el cloruro de aluminio. Veinte aos ms tarde el qumico Wohler logr obtener unos glbulos del nuevo metal puro, estudiando su maleabilidad (Se poda convertir en lminas muy delgadas) y su densidad (Era muy liviano). En la exposicin de Pars de 1855 se presenta al pblico un lingote de aluminio de 7 kilos. El nuevo metal era ya una realidad y una curiosidad de elevado precio, pues se ofreca por la cantidad de 200 dlares el kilo. Durante bastante tiempo el elevado coste motiv que el metal se utilizase en joyera u otras aleaciones especiales, como el remate del monumento a Washington. La reduccin del coste en la produccin del aluminio era un reto. Aquel metal, del que haba enormes cantidades en la corteza terrestre, tendra una gran utilizacin si se consegua obtener con procedimientos ms econmicos. La solucin no habra de venir del desarrollo de la Qumica, sino de la energa hidroelctrica. La evolucin de esta fuente energtica motiv el impulso de la industria electroqumica que posibilit la obtencin del aluminio a gran escala. El proceso industrial de obtencin del aluminio que hoy se utiliza fue descubierto


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independientemente y casi simultneamente en 1886 por el norteamericano Hall y el francs Heroult cuando precisamente ambos tenan 22 aos.(Consista en la electrlisis de almina disuelta en criolita fundida). En nuestros idas el aluminio es un metal comparable al hierro por su importancia y difusin, e incluso con mayores posibilidades de introduccin en algunos sectores de la industria, como se ha sealado anteriormente. Se sigue investigando en la lnea de obtencin de aleaciones de aluminio de alta resistencia y mnima densidad. 1.1. CARACTERISTICAS DEL ALUMINIO. El aluminio es un metal blanco, dbilmente azulado. Despus del silicio y el oxgeno, es el elemento ms abundante en la naturaleza (Constituye el 8.8 % de la corteza terrestre ). Sin embargo no se encuentra en estado libre, sino en forma de xidos, hidrxidos y silicatos, fundamentalmente. Los rubes y los zafiros estn formados por xidos de aluminio coloreados por mnimas impurezas. As mismo el corindn, mineral que contiene aluminio, es la segunda sustancia natural ms dura (la primera es el diamante). Despus del magnesio es el metal usual ms ligero, su densidad es de 2,7 gr/cc. Cristaliza en el sistema cbico centrado en caras, es por lo tanto un metal muy dctil y maleable, no presentando variedades alotrpicas. Su punto de fusin es de 658,7 C. Entre 100 y 150 C se puede forjar y laminar bien pero a temperaturas prximas a la de fusin se vuelve quebradizo. Cuando se trabaja en fro adquiere una elevada dureza, aunque se puede agrietar superficialmente, por ello despus de trabajar en fro se recuece a 350 C seguido de un enfriamiento lento. Es tanto ms dbil cuanto mayor es su pureza : Rt = 9 daN/mm2, A = 35 %, Le = 4,4 daN/mm2 , Dureza = 25 HB. Con estas caractersticas es lgico pensar que no es aplicable como material de construccin. Presenta una gran actividad qumica. Al ponerse en contacto con el aire se recubre de una capa de xido fuertemente adherida. Mediante oxidacin andica, se logra obtener una capa ms espesa, adherente, elstica y muy dura capaz de fijar colorantes. Esta capa de xido produce una pasivacin del metal frente a los ataques corrosivos por lo que se puede afirmar que el aluminio es un metal muy resistente a la corrosin (Cuanto mayor es la pureza del aluminio mayor resistencia presenta a la corrosin).


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Presenta buena conductividad elctrica, aproximadamente el 67 % de la del cobre. Se puede emplear por ello en las lneas de conduccin elctrica, ms an, por ser mucho ms ligero que el cobre, en alguna ocasin , es ms apropiado incluso que ste. En cuanto a su conductividad calorfica, slo le superan, el oro, el cobre y la plata por ello se emplea en tiles de cocina, radiadores y otros utensilios semejantes. El aluminio es un reductor enrgico, se emplea por ello en la obtencin de metales mediante procesos de aluminotermia. Durante mucho tiempo se pens que no era posible soldarlo, por la capa de xido de aluminio que lo recubre y por la baja resistencia a la corrosin de la capa soldada. Hoy se sabe que si es posible soldarlo con el soplete y tambin por arco en atmsfera inerte (Argn). Se puede emplear ultrasonidos durante la operacin de soldadura, destruyendo la capa de xido de aluminio y de este modo se puede lograr la soldadura sin fundentes. No es txico, ni magntico y no produce chispa. Al no ser magntico se puede emplear como proteccin elctrica en cajas para barras conductoras, cubiertas para equipos elctricos, etc. Presenta una maquinabilidad elevada y una gran capacidad de trabajado: Se puede laminar , estampar , estirar, forjar ... Presenta una sonoridad muy baja. Presenta as mismo una reflectividad elevada de la energa radiante. El aluminio presenta deformacin por su propio peso a lo largo del tiempo (Termofluencia.) No se disuelve bien en otros metales. Por ltimo cabe decir que presenta muy buenas propiedades criognicas: A temperaturas criognicas, las aleaciones de aluminio, se hacen ms tenaces, caso contrario al acero por ejemplo. Sus aleaciones pueden endurecer por maduracin, lo que permite una mejora notable de las propiedades mecnicas, llegando hasta 70 daN/mm2. El aluminio puede someterse a ms formas de acabado que cualquier otro metal que se use en la actualidad.


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1.2. PRINCIPALES APLICACIONES DEL ALUMINIO. En la industria cada vez se utiliza ms el Al debido a sus propiedades caractersticas; De todas sus aplicaciones destacaremos: A) Por su ligereza: Se emplea ampliamente tanto el metal como sus aleaciones en la construccin de estructuras metlicas, en las industrias aeronuticas, automovilistas y ferroviarias, en la construccin de cmaras frigorficas y en general, para la elaboracin de objetos en los que se requiere poco peso. B ) Por su conductividad elctrica. Se emplea como conductor en lneas de alta tensin. Los cables estn generalmente formados por un alma de acero que les comunica resistencia mecnica, rodeada de una serie de conductores de Al. C ) Por su resistencia a la corrosin. Se utiliza para utensilios de cocina y en forma de lminas para envolver alimentos en sustitucin del papel de estao. D) Por su poder reflector de los rayos calorficos. Se usa en forma de polvo fino para fabricar pinturas (Purpurinas de plata) destinadas a pintar depsitos que han de contener lquidos inflamables. 1.3. OBTENCION DEL ALUMINIO El aluminio es el elemento metlico ms abundante de la corteza terrestre, aunque siempre combinado con otros elementos como hierro, oxgeno y silicio. La bauxita, que consta principalmente de xidos hidratados de aluminio, es el mineral comercial ms usado para la produccin de aluminio. En el proceso Bayer se hace reaccionar bauxita con hidrxido sdico concentrado y caliente para convertir el aluminio del mineral en aluminato sdico. Despus de la separacin del material insoluble, se provoca la precipitacin de AI(OH)3 a partir del aluminato de sodio. El Al(OH)3, u xido de aluminio hidratado, se calcina a xido de aluminio anhidro Al2O3. El Al2O3 se disuelve en un bao fundido de criolita y se electroliza en una celda electroltica usando nodos y ctodos de carbono. En el proceso de electrolisis se forma Al metlico que cae al fondo de la celda y es extrado peridicamente. Este aluminio EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES AGUSTN ARNEDO 5


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usualmente contiene desde un 99,5 a un 99,9 por 100 de Al, siendo el hierro y el silicio las impurezas principales. El aluminio de las celdas electrolticas se lleva a una serie de hornos donde se refina antes del fundido definitivo. Los elementos aleantes, por separado. o en forma de lingotes que los contengan aleados, pueden ser tambin fundidos e incluidos en la carga del horno. En la operacin de refino, el metal lquido es normalmente purgado con cloro para eliminar el H2 gas disuelto. Esto es seguido de una limpieza de la superficie del metal lquido para separar el metal oxidado. Despus de que el metal ha sido desgasificado y desescoriado, se le criba y funde en conformados tipo lingote para refundicin o en formas de lingote tales como lingotes en lmina o en extrusin para posterior fabricacin.

1.4. ACABADOS DEL ALUMINIO La superficie del aluminio puede someterse a ms acabados distintos que la de cualquier otro metal. Las operaciones normales de acabado se dividen en cuatro categoras: mecnico, qumico, electroqumico y aplicado. Suelen efectuarse en este mismo orden, aunque puede prescindirse de uno o ms procesos, dependiendo del efecto final deseado.


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CIENCIA DE LOS MATERIALES. 1. Acabados mecnicos

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Este es un punto de partida importante, ya que incluso con procesos de acabado posteriores la superficie suele conservar el aspecto spero, liso o texturizado que se le d en esta etapa. En muchas aplicaciones, el acabado que tiene el material desde su manufactura es suficiente. Otras veces la textura de su superficie se modifica por esmerilado, pulido, raspado, soplado abrasivo o graneo con perdigones, frotado en barril o bruido, o incluso por martillado para lograr efectos especiales. Las superficies laminadas en hoja delgada (papel aluminio) pueden hacerse altamente lustrosas mediante el uso de rodillos de pulido; puede darse brillo y textura a uno o ambos lados empleando rodillos texturizados. 2. Acabados qumicos Con frecuencia se aplica un acabado qumico despus del mecnico. Entre los acabados qumicos ms comunes se encuentran: grabado custico (para obtener un acabado mate), grabado artstico, abrillantado qumico, recubrimientos de conversin y recubrimientos de inmersin. Como su nombre indica, los recubrimientos de conversin convienen por medios qumicos la capa de xido natural del aluminio en un recubrimiento de cromato, fosfato o una combinacin de ambos. Son los que ms se utilizan y recomiendan para preparar las superficies de aluminio para la pintura. 3. Acabados electroqumicos Entre stos se incluyen el abrillantado elctrico para lograr efectos de alta lucidez, galvanostegia con otro metal, como nquel o cromo, para incrementar la dureza y la resistencia al desgaste y, lo que es ms importante, anodizacin. Este ltimo es un proceso electroqumico con el que el grosor de la capa natural de xido se incrementa ms de mil veces y se hace ms densa, de modo que se eleva la resistencia a la corrosin y a la abrasin. El xido andico se forma por la aparicin de celdas, cada una de las cuales tiene un poro central. Los poros se sellan sumergiendo el metal en


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agua muy caliente o en ebullicin. El sellado es un paso de gran importancia, que modifica el aspecto y las propiedades de la capa anodizada. Existen algunas variedades de recubrimientos por anodizado. 4. Anodizacin incolora En muchas aleaciones de aluminio es posible producir una gruesa capa de xido transparente si se anodiza en una solucin de cido sulfrico, lo que se denomina anodizacin incolora. El grosor de la capa depende de la densidad de la corriente y del tiempo de permanencia en la solucin, y suele ser de 0,1 a 1 mpulg (milipulgadas). 5. Anodizacin en color Desde hace muchos aos ha sido posible impartir al aluminio una amplia gama de colores por inmersin, sumergindolo en un tanque con tintes o colorantes metlicos, inmediatamente despus de la anodizacin y antes de sellar la pelcula. Sin embargo, los colores aplicados de esta manera tienden a desvanecerse por la exposicin prolongada a la luz solar. 6. Anodizacin integral en color La mayor parte de los colores resistentes a la luz para exteriores se aplican mediante anodizacin integral en color. Estos son procesos patentados en los que s utilizan electrlitos que contienen cidos orgnicos; en algunos casos se agregan pequeas cantidades de impurezas al metal en s para obtener los colores deseados. Normalmente, es un proceso de una sola etapa, y el color se aplica como una parte integral del anodizado. En general, los colores se limitan a matices de dorado, bronceado, gris y negro. 7. Coloreado por deposicin elecctroltica


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El depsito electroltico de color es otra fauna de aplicar pigmentos resistentes a la luz. Despus de la anodizacin con cido sulfrico, las piezas se transfieren a una segunda solucin que contiene pigmentos metlicos, y stos son introducidos en el recubrimiento por corriente elctrica. 8. Anodizacin dura En la anodizacin dura suele aplicarse una combinacin de cidos para producir un recubrimiento muy denso, a menudo de 1 a 5 mpulg de grosor. Es muy resistente al desgaste y, por lo general, se utiliza con fines trmicos. 9. Galvanostegia (o electrorrecubrimiento) En la galvanostegia o galvanoplastia, un metal como cromo o nquel se deposita sobre la superficie del aluminio en una solucin electroltica que contenga alguno de aquellos metales. El objetivo suele ser modificar el aspecto o mejorar la dureza o la resistencia a la abrasin de la superficie. La galvanostegia tiene un efecto alisador, mientras que los recubrimientos anodizados siguen el contorno de la superficie metlica base y, por tanto, preservan el aspecto mate o pulido de la superficie, as como cualquier otra configuracin que sta haya adquirido antes del anodizado. 10. Aplicacin de recubrimientos

Entre los recubrimientos que se aplican al aluminio se incluyen: esmalte porcelanizado, pinturas y recubrimientos orgnicos, y materiales laminados, como plstico, papel o chapa de madera. De todo el aluminio que se produce en la actualidad, probablemente la cantidad que se pinta y anodiza es la misma. La adhesin es excelente cuando, la superficie se ha preparado en la forma correcta. Para obtener los mejores resultados, la pintura debe aplicarse sobre una superficie limpia, sometida antes a recubrimiento de conversin o anodizado.


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CIENCIA DE LOS MATERIALES. 2. ALEACIONES DEL ALUMINIO.

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2.1. INTRODUCCION A LAS ALEACIONES DEL ALUMINIO. ELEMENTOS DE ALEACION Como el aluminio es un metal mecnicamente dbil, se le alea con gran variedad de elementos, que le comunican mejores caractersticas mecnicas, mayor facilidad de moldeo o conformacin en fro y en caliente. Simultneamente se afectan ampliamente otras caractersticas, tales como la resistencia a la corrosin, a la fatiga, ductilidad, etc. Los elementos de aleacin se adicionan solos o varios de ellos simultneamente. En general, stos son muy poco solubles en el aluminio en estado slido. Por otra parte, forman con el o entre s, compuestos intermetlicos que desempean un papel muy importante en las caractersticas de la aleacin por aumentar su solubilidad con la temperatura. Los elementos de aleacin ms importantes, son los siguientes: Cobre, magnesio, silicio, cinc y manganeso. En la tabla expuesta a continuacin, se pueden observar stos y otros elementos con las principales propiedades que aportan a las aleaciones de aluminio.

ELEMENTO

PRINCIPALES

PROPIEDADES

QUE

DA

A

LA

ALEACIN DE ALUMINIO Cadmio Cobre Eleva la resistencia a la corrosin Facilita la colabilidad y la desgasificacin. Disminuye la resistencia a la corrosin. Se emplea tanto en las aleaciones fundidas como en las de forja.


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CIENCIA DE LOS MATERIALES. Cinc

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Facilita la colabilidad y desgasificacin. Disminuye la resistencia a la corrosin. Aumenta la dureza en fro.

Magnesio

Da ligereza a las aleaciones de aluminio. Facilita la colabilidad. Mejora las caractersticas mecnicas. Aumenta la resistencia a la corrosin. Da lugar al proceso de envejecimiento si forma Mg2Si.

Manganeso

Mejora la resistencia a la corrosin. Comunica buenas caractersticas de resistencia a las de forja. aleaciones

Nquel

Comunica buenas caractersticas mecnicas. Disminuye la colabilidad.

Silicio

Hace que la contraccin de solidificacin sea menor. Mejora las caractersticas mecnicas.

Titanio

Afina el grano Mejora todas las caractersticas mecnicas

2.2. CLASIFICACION Y DESIGNACION DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO. Las aleaciones del aluminio se pueden clasificar atendiendo a dos criterios fundamentalmente: Segn la forma en la que han sido elaboradas las aleaciones tcnicas del aluminio se dividen en dos grandes grupos: A) Aleaciones para moldeo. B) Aleaciones para forja (Prensadas, laminadas o forjadas ).


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CIENCIA DE LOS MATERIALES. Estas a su vez se clasifican en dos tipos: i) ii)

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Endurecibles por tratamiento trmico. No endurecibles por tratamiento trmico

Dependiendo de los elementos de aleacin que lleva la aleacin: A) B) C) D) E) F) Aleaciones de aluminio cobre. Aleaciones de aluminio magnesio. Aleaciones de aluminio silicio. Aleaciones de aluminio zinc. Aleaciones de aluminio manganeso. Aleaciones de aluminio silicio - magnesio

La NORMA UNE 3800 l R diferencia para designar a las aleaciones de aluminio las que proceden de moldeo y las que proceden de forja. A) Aleaciones de Moldeo: Estas aleaciones forman la serie L- 2XXX L- 20XX ...................... Aluminio. L-2IXX........................ Aluminio - Cobre. L-23XX ....................... Aluminio - Magnesio. L-25XX y L-26XX ..... Aluminio - Silicio. L-27XX ....................... Aluminio - Zinc L-29XX ....................... Aluminio - Manganeso. B) Aleaciones para forja: Estas aleaciones forman la serie L- 3XXX L-30XX ....................... Aluminio. L-3IXX........................ Aluminio - Cobre. L-33XX ....................... Aluminio - Magnesio. L-34XX ....................... Aluminio - Magnesio - Silicio. L-35XX ....................... Aluminio - Silicio. L-37XX ....................... Aluminio - Zinc. L-38XX ....................... Aluminio - Manganeso. L-39XX ....................... Aluminio - Estao.


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2.3. TRATAMIENTOS TERMICOS DE LAS ALEACIONES LIGERAS. La mayor parte de las aleaciones ligeras en estado de equilibrio estn formadas por varias fases, con frecuencia compuestos intermetlicos, cuya solubilidad en el metal base aumenta con la temperatura y precisamente esta es la condicin que se requiere para que pueda tener lugar el tratamiento de maduracin, envejecimiento o bonificacin. Por lo tanto, las aleaciones ligeras en las que se da este fenmeno, son susceptibles de los siguientes tratamientos: Recocido En todas las aleaciones. este tratamiento es el que debe preceder a cualquier otro. Con l se trata de conseguir los constituyentes ms estables a la temperatura ambiente, la estructura ms blanda y por tanto menos frgil; eliminar la acritud y tensiones internas, que pueden ser causa de grietas y deformaciones posteriores y, por ltimo, eliminar los efectos de cualquier tratamiento anterior. El recocido de homogeneizacin de las aleaciones en estado bruto de colada mejora considerablemente las caractersticas de las mismas. Por lo general, se efecta calentando a una temperatura de 350-450 C (por encima de la temperatura que nos marca el lmite de solubilidad en el estado slido), seguido de un enfriamiento muy lento a la temperatura ambiente. Los factores que influyen en esta operacin son: a) b) c) Temperatura de calentamiento. Tiempo de calentamiento. Velocidad de enfriamiento.

Temple. Este tratamiento trmico de las aleaciones ligeras, consiste en mantener a la temperatura ambiente una solucin slida, sobresaturada de los elementos de aleacin. Los factores que influyen en la operacin de temple son: a) Temperatura de calentamiento. Para conseguir la completa solubilidad de los constituyentes endurecedores en el metal base, es necesario calentar las piezas por encima de la temperatura que nos da la mxima solubilidad de


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esos constituyentes endurecedores. Como esa temperatura es muy prxima a la de fusin, este tratamiento es muy delicado ya que hay que evitar a toda costa que se produzcan fusiones locales, por lo que la temperatura de calentamiento ha de ser siempre inferior en 20 C a la de solidus, y tanto ms baja cuanto ms heterogneo sea el material. Como se necesita un control muy riguroso de la temperatura, el calentamiento se tiene que efectuar en hornos elctricos o en baos de sales. b) Tiempo de calentamiento. Una vez que se ha conseguido la temperatura deseada, se tiene que mantener en ella las piezas el tiempo suficiente para que los constituyentes endurecedores formen una solucin homognea. Este tiempo puede variar desde unos minutos a varias horas, lo cual depende del tamao de las piezas, de la clase de aleacin y de su estructura. As, en las piezas brutas de colada, con estructura grosera se necesita ms tiempo que en las piezas forjadas. c) Velocidad de enfriamiento. La velocidad de enfriamiento variar, como es lgico, con las dimensiones de las piezas y el tipo de aleacin. Por lo general, no se requieren velocidades de enfriamiento tan enrgicas como en los aceros. Se suelen emplear como medios de enfriamiento: el agua fra, caliente e incluso hirviendo, aceite, petrleo y aire en el caso de piezas muy delgadas. En este ltimo caso se realiza un temple suave. Con las velocidades de temple que se emplean en las aleaciones ligeras no son de temer deformaciones muy considerables, ni aparicin de grietas, puesto que las variaciones de volumen son pequeas y no tienen lugar transformaciones durante el mismo. Maduracin, envejecimiento, bonificacin. EI estado de solucin slida, sobresaturada obtenido en el tratamiento de temple, se caracteriza por ser de mxima plasticidad y presentar una estructura inestable, a partir de la cual tienden a precipitarse los constituyentes endurecedores. Esta precipitacin puede tener lugar a la temperatura ambiente, despus de transcurrido cierto tiempo, denominndose entonces maduracin natural o envejecimiento, o bien, por un calentamiento a la temperatura adecuada, denominndose ahora maduracin artificial. Al tratamiento de temple y precipitacin de los


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constituyentes endurecedores, en general, se conoce con la denominacin de bonificacin. Segn sea el comportamiento de las aleaciones despus del temple, se les puede clasificar en los grupos: a) Las que no endurecen espontneamente a la temperatura ambiente o, si lo hacen, es con

una velocidad muy lenta. A este grupo pertenecen las aleaciones Al-Cu, las cuales se pueden someter a las operaciones corrientes de conformacin sin que se presente el peligro de que endurezcan. Esto slo se consigue mediante un calentamiento a temperaturas superiores a 120 C. b) Las que se endurecen en un tiempo relativamente corto (4 o 6 das) a la temperatura

ambiente, si bien para alcanzar la mxima dureza se requiere ms tiempo. Se puede lograr rpidamente la mxima dureza por un revenido a 100 C durante 8 horas. A este grupo pertenecen las aleaciones Al-Mg con o sin adicin de Cu. Si se desea, que se mantengan blandas, antes de ser sometidas a la operacin de conformacin ser preciso retardar la precipitacin de los constituyentes endurecedores, lo cual se consigue manteniendo la aleacin a temperaturas inferiores a 0C, sumergindolas. por ejemplo, en aire lquido o conservndolas en frigorficos. Un ejemplo de ello lo tenemos en ciertos remaches, que se templan juntos e inmediatamente se introducen en el frigorfico, para que mantengan su plasticidad, de donde se van sacando segn hacen falta, y la maduracin tiene lugar despus de colocados. El proceso de maduracin, puede seguirse con facilidad a cada temperatura mediante las curvas de variacin de la dureza en funcin del tiempo. Del examen de estas curvas se deduce que el fenmeno se acelera conforme aumenta la temperatura (puesto que depende de la velocidad de difusin), pero a medida que sta se eleva, la dureza mxima alcanzada disminuye. Revenido de ablandamiento Las aleaciones ligeras que no son susceptibles de maduracin y han sufrido deformaciones en fro, se pueden ablandar sin necesidad de llegar al recocido, mediante un revenido a


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temperaturas comprendidas entre 175 y 225 C, con el cual se logran eliminar las tensiones internas y destruir en parte la acritud. En las aleaciones susceptibles de bonificacin tambin puede ser necesario el revenido despus del temple y maduracin total, con objeto de obtener la mxima maleabilidad para conformar el metal sin disminuir las caractersticas mecnicas. As, para efectuar los trabajos de calderera y otros de conformacin en caliente, se mantiene la temperatura durante la operacin entre 150 y 200 C, por medio de hornos elctricos, baos de aceite o por calentamiento local, mediante dispositivos de resistencia.


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2.4. CARACTERISTICAS Y APLICACIONES DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO

2.4.1.Aleaciones aluminio-cobre (serie 2xxx)En la siguiente figura se muestra el diagrama de equilibrio de estas aleaciones. Se observa en el la presencia de: A) Un eutctico para un 33 % de cobre que funde a 548 C, B) Un compuesto intermetlico: La fase theta que es una fase intermedia de aleacin, cuya composicin corresponde estrechamente al compuesto CuAl2 C) Una solucin slida de cobre en aluminio, fase ,, cuya solubilidad vara rpidamente para altas temperaturas, decreciendo despus con la temperatura ms lentamente. Las nicas aleaciones de este diagrama con inters industrial son las hipoeutcticas.

La mxima solubilidad del cobre en aluminio es 5,65% a 548C y luego decrece hasta 0,45% a 200 C; por tanto, las aleaciones que contienen entre estos lmites de cobre respondern al tratamiento trmico endurecindose por envejecido. El tratamiento de solucin se lleva a cabo al calentar la aleacin hasta la regin unifsica , seguida por enfriamiento rpido. El envejecimiento posterior, ya sea natural o artificial, permitir precipitar la fase , incrementando as la resistencia de la aleacin. Estas aleaciones pueden contener menores cantidades de silicio, hierro, magnesio, manganeso, cromo y zinc.


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Las aleaciones aluminio-cobre forjado que ms se utilizan son las 2014, la 2017 y la 2024. La ms vieja de todas las aleaciones al aluminio tratables trmicamente es la 2017 duraluminio, que contiene 4 % de cobre y cierta cantidad de magnesio. Esta aleacin se emplea bastante para remaches en la construccin de aviones. Como es una aleacin que envejece en forma natural, despus del tratamiento de solucin se refrigera para evitar el envejecimiento. En estado de fase nica, en la condicin de tratamiento a solucin, tiene buena ductilidad, de manera que la cabeza del remache se puede formar fcilmente. Volver el material a temperatura ambiente produce la precipitacin de la fase en forma de pequeas partculas submicroscpicas, que incrementan la dureza y la resistencia. La aleacin 2014 tiene mayor contenido de cobre y manganeso que la 2017 y es susceptible de envejecimiento artificial. En el temple artificialmente envejecido, la 2014 tiene mayor resistencia tensil, mucho mayor resistencia a la cedencia y menor elongacin que la 2017. Esta aleacin se utiliza en piezas forjadas, diseadas para soportar trabajo pesado, en accesorios para avin y en estructuras para camin. La aleacin. 2024, que contiene 4.5 % de cobre y 1.5 % de magnesio, desarrolla las resistencias ms altas de cualquier tipo de aleacin aluminio-cobre envejecida en forma natural. El mayor contenido de magnesio, comparado con la 2017, la hace ms difcil de fabricar. Una combinacin de endurecimiento por deformacin y envejecimiento desarrollar la mxima resistencia a la cedencia que se puede obtener en una lmina de aleacin de alta resistencia. Entre las aplicaciones tpicas de la aleacin 2024 estn estructuras para avin, remaches, ferretera, ruedas para camin y productos de mquina para hacer tornillos. Una aleacin cobre-aluminio que contiene 2 % de nquel (2218) se ha diseado para aplicaciones que implican altas temperaturas, como cabezas de cilindro y pistones forjados. La nica aleacin binaria aluminio-cobre fundida es la 195, que contiene 4% de cobre. Con el tratamiento trmico adecuado, esta aleacin tiene una excelente combinacin de resistencia y ductilidad. La aleacin 195, fundida en molde de arena, se utiliza para volantes y cajas para ejes traseros, ruedas para camin y avin, y para crteres de motores. Se han producido varias aleaciones de fundicin (112, 113 y 212) que contienen aproximadamente 8 % de cobre y pueden contener grandes adiciones de silicio controladas, as como hierro y zinc. La presencia de silicio incrementa la fluidez, de manera que las aleaciones 113 y 212 se prefieren para piezas fundidas de secciones AGUSTN ARNEDO 18



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delgadas, como cajas, placas para cubierta y pistones para frenos hidrulicos. Se ha ideado una serie de aleaciones de fundicin, como las 85, 108, 319 y 380, clasificadas como aleaciones aluminio-cobre-silicio, que contienen menos del 5 % de cobre y de 3 a 8 % de silicio. El cobre proporciona mayor resistencia y mejores propiedades de maquinado que las aleaciones puras aluminio-silicio, en tanto que el silicio da mejores propiedades de fundicin y resistencia a prdidas de presin que las aleaciones aluminio-cobre. Entre las aplicaciones tpicas se incluyen mnsulas, estructuras para mquinas de escribir, mltiples, cuerpos para vlvula, recipientes, y tanques para gasolina y aceite.

2.4.2. Aleaciones aluminio-manganeso (serie 3xxx)Se indica en la figura la parte rica en Aluminio del diagrama de equilibrio de estas aleaciones.

Porcentaje en peso de Aluminio La mxima solubilidad del manganeso en la solucin slida a es 1,82 % a la temperatura eutctica. Aunque la solubilidad del manganeso es pequea y decrece con la disminucin de temperatura, las aleaciones de este grupo suelen ser no endurecibles por envejecimiento. Debido a la limitada solubilidad, el manganeso no se emplea como principal elemento de aleacin en ninguna aleacin de fundicin y slo se utiliza en algunas aleaciones forjadas. Una de las aleaciones de este grupo es la 3003, que tiene buena formabilidad, gran resistencia a la corrosin y buena capacidad de soldado. Entre las aplicaciones tpicas estn los utensilios, el equipo de manejo y almacenamiento de alimentos y sustancias qumicas, los tanques para gasolina y aceite, los recipientes para altas presiones y la tuberas.


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2.4.3. Aleaciones aluminio-silicio (serie 4xxx)La figura siguiente muestra la porcin rica en aluminio del sistema de aleacin aluminiosilicio.

La mxima solubilidad del silicio en la solucin slida a es 1,65% a la temperatura eutctica de 577 C El silicio no forma con el aluminio ningn compuesto intermetlico. Forma un eutctico con el 11,7 % de Si a la temperatura de 577 C y adems la solubilidad del silicio en el aluminio desciende rpidamente con la temperatura. Aunque la lnea solvus muestra menor solubilidad a menores temperaturas, estas aleaciones suelen ser no tratables trmicamente. La aleacin forjada 4032, que contiene 12.5% de silicio, tiene gran capacidad de forjado y bajo coeficiente de expansin trmica. Se utiliza para pistones forjados para automvil. Las aleaciones aluminio-silicio de fundicin tienen excelentes capacidad (facilidad) de fundido y por eso son muy usadas para el moldeo y rara vez para la forja. Las aleaciones 13 (12% de silicio) y 43 (5 % de silicio) se utilizan para piezas fundidas complicadas, equipo para manejo de alimentos y accesorios marinos. AGUSTN ARNEDO 20



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2.4.4. Aleaciones aluminio-magnesio (serie 5xxx)La figura siguiente muestra el diagrama de equilibrio del sistema de aleacin aluminiomagnesio.

En l se observa la existencia de una solucin slida de Mg en Al ( Fase ), cuya solubilidad mxima alcanza a ser del 14,9 %, que disminuye rpidamente a altas temperaturas y despus ms lentamente, llegando a ser de 4,4 % a temperatura ambiente. Adems se comprueba la existencia de un eutctico para el 33 % de Mg a la temperatura de 449 C y la existencia de un compuesto intermetlico, Al3Mg2 ( Fase ), para el 35 % de Mg. Aunque la lnea solvus seala una considerable cada en la solubilidad del magnesio en aluminio, con la disminucin de temperatura, la mayora de las aleaciones comerciales forjadas de este grupo contienen menos del 5 % de magnesio y, con bajo contenido de silicio, no se pueden tratar trmicamente. Las aleaciones forjadas se caracterizan por tener gran capacidad de soldado, buena resistencia a la corrosin y moderada resistencia en general. La aleacin 5005 (0,8% de magnesio) se utiliza para piezas extrudas con fines arquitectnicos. La 5050 (1,2% de magnesio), para tubera y conductos de gas y aceite para automvil.


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La 5052 (2,5 % de magnesio) para conductos de combustible y aceite para avin. La 5083 (4,5 % de magnesio), para aplicaciones marinas y estructuras soldadas. La 5056 (5,2% de magnesio), para rejillas para insectos, cubiertas para cable, y remaches para emplearlos con aleaciones al magnesio.

Las aleaciones aluminio-magnesio de fundicin incluyen la aleacin 214 (3.8% de magnesio) , la 218 (8 % de magnesio) y la 220 (10% de magnesio). Las dos primeras se emplean para equipo de manejo de leche y alimentos, accesorios para utilizarlos con sustancias qumicas y drenaje, accesorios con fines marinos, y zapatas para frenos de avin. La aleacin 220 es la nica de este grupo que puede endurecerse por envejecimiento, dando como resultado las ms altas propiedades mecnicas de cualquiera de las aleaciones al aluminio de fundicin. Las propiedades de fundicin de las aleaciones de este grupo son deficientes y requieren cuidadosa prctica de fundicin.

2.4.5. Aleaciones aluminio-silicio-magnesio (serie 6xxx)El magnesio y el silicio se combinan para formar un compuesto siliciuro de magnesio (Mg2Si), que a su vez forma un sistema eutctico simple con aluminio. La figura muestra la porcin rica en aluminio del sistema AI-Mg-Si; Es la precipitacin del Mg2Si despus del envejecimiento artificial (temple T6), el cual permite que estas aleaciones alcancen su resistencia total. Las aleaciones forjadas incluyen la 6053, la 6061 y la 6063. El magnesio y el silicio suelen estar presentes en la razn adecuada para formar siliciuro de magnesio. La estructura de la aleacin 6061 en forma de placa laminada en caliente, muestra partculas de Fe3SiAl12 y Mg2Si en una matriz de solucin slida rica en aluminio Estas aleaciones se caracterizan por la excelente resistencia a la corrosin y se pueden trabajar ms que otras, tratables trmicamente. Entre las aplicaciones tpicas se incluyen mallas de refuerzo en pistas de aterrizaje para aviones, canoas, muebles, tubera para aspiradora, pasamanos para puentes, y aplicaciones arquitectnicas. Las aleaciones de fundicin aluminio-silicio-magnesio 355, 356 y 360 proporcionan una deseable combinacin de capacidad de fundido, aguante a fugas de presin, resistencia en general y resistencia a la corrosin. En la condicin de tratamiento trmico, sus propiedades mecnicas se aproximan a las de las aleaciones aluminiocobre. Se usan ampliamente con fines aeronuticos, en piezas para mquina-herramienta y en piezas fundidas para propsitos generales. AGUSTN ARNEDO 22



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2.4.6. Aleaciones aluminio-zinc (serie 7xxx)La figura siguiente muestra la porcin rica en aluminio del sistema de aleacin aluminiozinc. La solubilidad del zinc en aluminio es del 31,6% a 275C, disminuyendo hasta 5,6% a 100 C. Las aleaciones comerciales forjadas contienen zinc, magnesio y cobre, con menores adiciones de manganeso y cromo. Las aleaciones 7075 (5.5% de zinc, 2.5% de magnesio y 1.5% de cobre), 7079 (4.3% de zinc, 3.3% de magnesio y 0.6% de cobre) y 7178 (6.8% de zinc, 4.7% de magnesio y 2.0% de cobre) desarrollan las ms altas resistencias tensiles que se pueden obtener en las aleaciones al aluminio. Mediante la adicin de cromo y el tratamiento trmico adecuado, la susceptibilidad de estas aleaciones a la corrosin por esfuerzo se ha minimizado. Tienen aplicaciones en las que se requiere alta resistencia en general y buena resistencia a la corrosin, tales como piezas de estructuras para aviones. La aleacin de fundicin aluminio-zinc, conocida como 40E, que contiene 5,5% de zinc, 0,6% de magnesio, 0,5% de cromo y 0,2% de titanio, proporciona altas AGUSTN ARNEDO 23



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propiedades mecnicas sin tratamiento de solucin. Esta aleacin tambin tiene regulares caractersticas de fundicin. buena resistencia a la corrosin y muy buena maquinabilidad. Se emplea en accesorios para avin, cubiertas para torres y equipo de radio.


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CIENCIA DE LOS MATERIALES. PROBLEMAS

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Problema 1 La densidad de una aleacin de Al-Mg es D= 2585 kg .m- 3. Se pide: A)Calcular la composicin centesimal en masa y en volumen. B)Estudiar el enfriamiento lento desde el estado lquido hasta la temperatura ambiente de dicha aleacin. C) Describir el tratamiento de temple D) Qu le ocurre a la aleacin si, despus de templada, se calienta a 450C y se enfra lentamente? E) Qu otros tratamientos trmicos puede experimentar? F) En qu estado es ms fcil de trabajar en fro? Y en caliente? Problema 2 En una aleacin Al - Cu con 4 % de Cu, se desea conocer : A)Las transformaciones que experimenta durante el enfriamiento hasta la temperatura ambiente. B) Tratamientos trmicos que puede experimentar. C) Sabiendo que a 20C el comienzo de la precipitacin del compuesto intermetlico Al2Cu tarda 3 horas 10 min, y a 100C, 2 minutos 56 segundos, calcular a qu temperatura se debe conservar una pieza templada para que la precipitacin no comience hasta despus de 50 horas. Problema 3 El Al (Tf = 660,3 C) y el Ge (Tf = 958C) forman a 424C una eutctica con 53 % de Ge; a esa temperatura la solubilidad del Ge en Al es 6 % y la del Al en Ge 0,32 %. A 300 C la solubilidad del Ge en Al es slo del 2 %. Con estos datos se desea: A) Trazar el diagrama de equilibrio e interpretarlo B) Estudiar las transformaciones de una aleacin con 4 % de Ge. C) Tratamientos trmicos que puede experimentar.

Problema 4 Con el diagrama de equilibrio del sistema Al-Cu y sabiendo que la densidad de una de las aleaciones del mismo es D = 3000 kg m -3. Calcular: A) Su composicin centesimal en masa y en tomos. B) El porcentaje de fases y de constituyentes estructurales inmediatamente despus de la solidificacin. C) Datos para el tratamiento trmico de bonificacin.


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CIENCIA DE LOS MATERIALES. Problema 5.

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En el diagrama del sistema Mg-Al aparecen las fases: = Al(Mg) c.c.c., = Al3Mg2, ' = Al20Mg23 , = Al12Mg17 y = Mg(Al). Se desea: A) Hallar la composicin centesimal de cada uno de los compuestos. B) En una aleacin con 10 por 100 de Al, determinar su intervalo de solidificacin, porcentaje de aleacin en estado slido a 550C, transformaciones despus de la solidificacin, tratamientos trmicos que puede experimentar, densidad de la solucin slida sobresaturada obtenida por temple y porcentaje de las fases en el recocido. C) En una aleacin con 20 por 100 de Al, determinar el intervalo de solidificacin, porcentaje de los constituyentes estructurales y fases inmediatamente despus de solidificar, y de las fases a 100C. Es susceptible de tratamiento trmico de bonificacin?

Problema 6. Conocido el diagrama de equilibrio de las aleaciones Al-Si, se desea: A) Estudiar el enfriamiento desde el estado lquido hasta la temperatura ambiente de un siluminio con 10 por 100 de Si. B) Porcentaje de los constituyentes estructurales y de las fases, inmediatamente despus de la solidificacin. C) Densidad de la aleacin, de la fase el. y de la eutctica. D)Estructura microgrfica y porcentaje de superficie de cada uno de los constituyentes.


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tema3 4 aluminio y aleaciones

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