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  Aleacione s no férreas Introducción a la Ciencia de Materiales 2009

Aleaciones No Férreas

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ALEACIONES NO FERREAS

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Aleaciones no férreas
El elemento base, solvente, no es el fierro sino un material diferente
 Aleaciones no férreas: especificadas para aplicaciones estructurales que requieren reducido peso, alta resistencia, propiedades no magnéticas, altos puntos de fusión o resistencia química y a la corrosión atmosférica. También están especificadas para aplicaciones eléctricas y electrónicas.
Las piezas de estos materiales se pueden producir por moldeo, como producto semi-terminado (lingote, planchas) y luego trabajados mediante laminado, forja, extrucción, etc, en frío o en caliente, etc; también se pueden producir vía metalurgia de polvos.
 
-  Aluminio y sus aleaciones
- Cobre y sus aleaciones 
- Magnesio y sus aleaciones
- Titanio y sus aleaciones
- Zinc y sus aleaciones
- Níquel y sus aleaciones
- Otras aleaciones no férreas
Exxxxx  Tierras raras y sus aleaciones 
Fxxxxx  Fundiciones férreas 
Hxxxxx  Aceros para temple y revenido 
Jxxxxx  Aceros moldeados 
Mxxxxx  Miscelánea de metales no férreos y sus aleaciones 
 Nxxxxx   Níquel y sus aleaciones 
Pxxxxx  Metales preciosos 
Sxxxxx  Aceros inoxidables y superaleaciones 
Txxxxx  Aceros para herramientas 
Wxxxxx  Aceros para electrodos 
 
PRINCIPALES ALEACIONES BASE COBRE
Las aleaciones base cobre: Se utilizan aprovechando las propiedades intrínsecas del cobre y los efectos que sobre él producen otros elementos de aleación tales como el Sn, Zn, Ni, Al, etc.
COBRE
El cobre es un metal de estructura fcc, dúctil y maleable. Su principal propiedad física es la buena conductividad eléctrica y térmica. Para aprovechar estas propiedades físicas se utiliza el cobre electrolítico (Cu desoxidado electrolíticamente) que es el de más alta pureza (99.9%)
En general, las aleaciones base se requieren por su buena resistencia a la corrosión, buenas propiedades mecánicas –depende de la composición química- y por su buena aptitud para diferente métodos de conformado.
Las principales son:
 Aleaciones Cu-Zn : Latones
 Aleaciones Cu-Sn : Bronces
 Aleaciones Cu-Ni: Cuproníqueles
 Aleaciones Cu-Al: Cuproaluminios
transformación
   CuZn3  b.c.c.  21/12  
   Cu21Zn79  Hex. compacta 
Latones 
 Aleaciones cobre y zinc que contienen hasta 45% de Zn. Son los más importantes debido a
sus excelentes propiedades y relativo bajo costo. Teniendo en cuenta las variaciones de
solubilidad del Zn en Cu y los compuestos que forman, los latones se clasifican en:
Latones alfa: Son monofásicos. Presentan solución sólida alfa de Zn en Cu hasta un 36%.
Son muy blandos y dúctiles, se utilizan para trabajos de deformación en frío. Tienen buena
resistencia a la corrosión. La propiedades de estas aleaciones dependen del porcentaje de
Zinc: a mayor contenido de este elemento mayor resistencia mecánica. El color de estos
latones varía según el contenido de cobre y se tienen dos grupos :
latones alfa rojos: Contenido de Zn entre 5-20%. Muy buena resistencia a la corrosión.
 Aplicaciones: válvulas, accesorios, remaches, núcleos de radiador. Se pueden conformar
por estampado, embutido, forja, colada, etc.
Latones alfa amarillos: 20-36% de Zn. Tiene muy buena ductilidad que permite su empleo
como material para trabajos de conformado severos, como embutición profunda,
estampado. Se utilizan para fabricar chapas metálicas, alambres, cartuchos para
proyectiles, etc. Sufren corrosión bajo tensión y deszincificación. El más común es el 70/30.
El latón laminado y recocido presenta una m = 1960 Kg/cm2, en estado de acritud m =
7000 Kg/cm2 . Estos latones sólo admiten tratamiento térmicos de recocido (entre 590-
650°C) 
Latones
Latones alfa + beta: Contienen entre 54 y 62% de Cu ( 38-42% Zn) son de mayor resistencia que los alfa y se usan para trabajos en caliente (deformación entre 750 y 650C°). Su dureza la deben a la fase beta. El más común es el 60/40 llamado metal Muntz. Se usan para la fabricación de tornillos y piezas de maquinaria, chapas para recubrir barcos, colectores de condensadores, tubos de condensador, redondos para soldaduras,  
 
Cobre y estaño también forman solución sólida y compuestos electrónicos:
  : Solución sólida de sustitución de Sn en Cu: fase muy blanda y dúctil
El diagrama es industrialmente útil hasta el 20%-30% Sn
Compuesto  Formula  Sistema Cristalino  Relación de
Hume-Rothery
(R) 
Propiedades 
transformación
Bronces al estaño
Bronces al estaño: Aleaciones Cu-Sn con contenido de estaño de hasta 30%. El estaño
aumenta la resistencia a la tracción del cobre más que el zinc. Las piezas fabricadas de
esta aleación pueden producirse mediante deformación y/o colada.  
Bronces alfa: Contiene hasta 10% de Sn. A temperatura ambiente presentan fase alfa
(solución sólida de de Sn en Cu) con algunos precipitados muy pequeños de fase delta. Es
muy dúctil y poco resistente, por eso puede laminarse en frío. En comparación con los
latones son más duros, tenaces y resistentes a la corrosión que los latones pero más caros.
Generalmente se suministra como lámina rolada, varilla estirada u hojas de turbina
estiradas.
Bronces alfa + delta: Contienen hasta 18% de Sn. Su microestructura corresponde a fase
alfa con partículas precipitadas de fase delta que es muy dura y frágil. Estas aleaciones se
usan generalmente para fabricar piezas por colada -como por ejemplo las chumaceras-, ya
que la fase delta las hace resistentes al desgaste.
 
Bronces al estaño alfa + delta . a) bruto de colada . b)
homogenizado 
 
Cuproníqueles
-Excelente resistencia a la corrosión, especialmente en agua de mar en movimiento.
- Resistencia a la corrosión en condiciones de altas presiones.
- Mantienen la resistencia mecánica en condiciones de altas temperaturas entre 300 a 400 ºC.
- Conductividad eléctrica y térmica relativamente débil.
 
 
Latones  C20500-C28580  Cu-Zn 
Bronces fosforados  C50100-C52400  Cu-Sn-P 
Bronces al aluminio C60600-C64400 Cu-Al-Ni-Fe-Si-
Sn
Otras aleaciones cobre-zinc  C66400-C69900 . . .
Latones rojos y latones rojos al plomo C83300-C85800 Cu-Zn-Sn-Pb (75-
89% Cu)
Latones amarillos y latones amarillos al plomo  C85200-C85800 Cu-Zn-Sn-Pb (57-
74% Cu)
manganeso con plomo 
Bronces al estaño y bronces estañados al
plomo
Bronces al aluminio  C95200-C95810 Cu-Al-Fe-Ni
Cuproníqueles C96200-C96800 Cu-Ni-Fe
Ni-Cu-Zn-Pb-Sn  C97300-C97800 Cu-Ni-Zn-Pb-Sn
 Aleaciones especiales C99300-C99750 . . .
Designaciones de temperizado
Las aleaciones de cobre pueden describirse por su “temper”. Este término
define la condición metalúrgica, tratamiento térmico y/o método de
colada.
La norma ASTM B 601, "Standard Practice for Temper Designations for
Copper and Copper Alloys--Wrought and Cast," se ha desarrollado para
la designación de los estados de las aleaciones base cobre. Este
estándard establece un código alfanumérico que puede ser asignado a
 
condition
H58 Drawn general purpose
H60 Cold heading; forming
Aluminio y sus aleaciones
El aluminio es el segundo material más consumido en el mundo después
del hierro. Es uno de los materiales más versátiles y atractivos, para una
gran gama de aplicaciones, desde una fina hoja de papel aluminio, hasta
una exigente aplicación en ingeniería.
Su baja densidad y alta resistencia específica, la hacen muy útil para
vehículos espaciales y en la industria aeronáutica. Tiene una alta
resistencia a la corrosión atmosférica, en agua fresca y salada, en
muchos productos químicos y sus soluciones.
 Al contacto con otros materiales, no se forman sales de colores que
puedan mancharlos. No tiene reacciones tóxicas y, por tanto, es muy
adecuado para la transformación, manipulación, almacenamiento y
envasado de alimentos y bebidas. Por último, el aluminio tiene una alta
conductividad eléctrica y térmica.
-  Algunas aleaciones logran alta resistencia
- Buena conductividad eléctrica y térmica
-  Alta reflectividad de la luz y el calor
- Resistente a la corrosión en diversas condiciones
- No es tóxico
 Alta afinidad por el oxígeno
Muy dúctil, deformable, muy poco resistente
 Alta tenacidad al choque - Aplicaciones criogénicas
Posibilidad de mejorar sus propiedades aleándolo y tratándolo térmicamente.
Material estructural
La resistencia a la tracción del aluminio puro, en estado recocido es
aproximadamente 10MPa (1.5 Ksi), mientras que una aleación comercial tratada
térmicamente puede llegar a tener 550 MPa (80KSi) 
 
 Alta reflectividad de la luz y el calor
Conductividad eléctrica, casi el doble que la del cobre para un peso equivalente.
Utilizando cables de aluminio reforzados con núcleos de acero, se pueden atender los requerimientos de alta conductividad y resistencia mecánica, para líneas de alta tensión.
La conductividad térmica de las aleaciones de aluminio, de 50 a 60% la del cobre, es ventajosa en intercambiadores de calor, evaporadores, aparatos de calefacción eléctrica, utensilios, radiadores de automóviles, etc.
El aluminio es no ferromagnético, una propiedad importante en la industria eléctrica y electrónica.
Es no pirofórico (no arde), que es importante en aplicaciones que impliquen manejo de materiales inflamables o explosivos
 
Aleaciones de aluminio
Las propiedades mecánicas, físicas y químicas de las aleaciones de aluminio
dependen de la composición y de la microestructura.
Principales elementos de aleación: cobre, manganeso, silicio, magnesio y zinc. La
cantidad total de esos elementos puede constituir más del 10% de la composición
de la aleación, las impurezas llegan a menos de 0,15%.
Generalmente las aleaciones de aluminio se clasifican como forjadas y
moldeadas.
o no.
 
Nomenclatura de las aleaciones de aluminio
Desarrollada por la Aluminum Association, Inc.
Para las aleaciones forjadas el sistema usa 4 dígitos: Aleación: X1 X2 X3 X4, donde:
- X1 caracteriza el principal elemento de aleación
- 1  Al  99%
- 7  Zn
- 8  Otros
X2 indica una aleación modificada respecto de la original, (si X2 = 0, indica la aleación original).
 
Designación del estado del material 
- F : (as fabricated), no se dan límites a las propiedades mecánicas.
- O : Recocido y recristalización
- H : Endurecido por deformación
1  Endurecido sólo por deformación 
X1  2  Endurecido por deformación + recocido parcial 
3  Endurecimiento por deformación + estabilización a baja
temperatura 
X2  Indica el grado de endurecimiento por deformación, donde 1 es mínimo y 8 es máximo 
Ejemplo: 1099 H18
 
- T1 : Producto enfriado desde la temperatura de fabricación, y luego
envejecido naturalmente
- T4 : Solución con envejecimiento natural
- T5 : igual a T1, pero con envejecimiento artificial
- T6 : igual a T4, pero con envejecimiento artificial
- T7 : Solución y estabilizado
 
Aleaciones de aluminio para moldeo
Se utiliza un sistema de tres dígitos seguido de una cifra decimal.
 La composición se describe con los tres primeros dígitos.
El decimal 0 en todos los casos indica los límites de composición de la aleación.
Los decimales 1 y 2 dan la composición del lingote después de la colada y el procesado.
1 xx.x : Aluminio no aleado, especialmente para manufactura de rotors.
2 xx.x : Principal elemento de aleación es el cobre, pero pueden especificarse otros elementos.
3 xx.x : Principal elemento de aleación es el silicio. Se puede especificar también cobre y magnesio. Esta serie comprende cerca del 90% de los productos de aluminio moldeados.
4 xx.x : Principal elemento de aleación es el silicio.
 
6 xx.x : No usado
7 xx.x : Principal element de aleación es el zinc. Pueden especificarse
otros elementos de aleación como el cobre y magnesio.
8 xx.x : Principal elemento de aleación es el estaño. 
9xx.x: no usado
 
que lo hace muy resistente a
la corrosión:  ANODIZADO
Tipos de aleaciones normalizadas
Las aleaciones de aluminio forjado se dividen en dos grandes grupos, las que no reciben tratamiento térmico y las que reciben tratamiento térmico
Aleaciones de aluminio forjado sin tratamiento térmico 
Las aleaciones que no reciben tratamiento térmico solamente pueden ser trabajadas en frío para aumentar su resistencia. Hay tres grupos principales de estas aleaciones según la norma AISI-SAE que son los siguientes:
Aleaciones 1xxx. Son aleaciones de aluminio técnicamente puro, al 99,9% siendo sus principales impurezas el hierro y el silicio como elemento aleante. Se les aporta un 0.12% de cobre para aumentar su resistencia. Tienen una resistencia aproximada de 90 MPa. Se utilizan principalmente par trabajos de laminados en frío.
Aleaciones 3 xxx. El elemento aleante principal de este grupo de aleaciones es el manganeso (Mn) que está presente en un 1,2% y tiene como objetivo reforzar al aluminio. Tienen una resistencia aproximada de 16 ksi (110MPa) en condiciones de recocido. Se utilizan en componentes que exijan buena mecanibilidad.
Aleaciones 5xxx. En este grupo de aleaciones es el magnesio es el principal componente aleante su aporte varía del 2 al 5%. Esta aleación se utiliza cuando para conseguir reforzamiento en solución sólida. Tiene una resistencia aproximada de 28 ksi (193MPa) en condiciones de recocido.
Aleaciones de aluminio forjado con tratamiento térmico 
 Algunas aleaciones pueden reforzarse mediante tratamiento térmico en un proceso de precipitación. El nivel de tratamiento térmico de una aleación se representa mediante la letra T seguida de un número por ejemplo T5. Hay tres grupos principales de este tipo de aleaciones.
Aleaciones 2xxx: El principal aleante de este grupo de aleaciones es el cobre (Cu), aunque también contienen magnesio Mg. Estas aleaciones con un tratamiento T6 tiene una resistencia a la tracción aproximada de 64ksi (442 MPa) y se utiliza en la fabricación de estructuras de aviones.
Aleaciones 6xxx. Los principales elementos aleantes de este grupo son magnesio y silicio. Con unas condiciones de tratamiento térmico T6 alcanza una resistencia a la tracción de 42 ksi (290MPa) y es utilizada para perfiles y estructuras en general.
 
ventanas, pantallas, boquillas y canales de desagüe. Construcción
industrial.
El transporte: el segundo gran mercado:
oMuchos aviones comerciales y militares están hechos casi en su totalidad
de aluminio.
o  En los automóviles, el aluminio aparece en interiores y exteriores como
molduras, parrillas, llantas (rines), acondicionadores de aire,
transmisiones automáticas y algunos radiadores, bloques de motor y
paneles de carrocería.
señales de carretera, división de carriles y alumbrado.
oEn la industria aeroespacial, se encuentra en motores de aeroplanos,
estructuras, cubiertas y trenes de aterrizaje e interiores; a menudo cerca
de 80% del peso del avión es de aluminio.
 
La industria de empaques para alimentos es un mercado en crecimiento
rápido.
 Aplicaciones eléctricas: alambres y cables de aluminio.
En el hogar en forma de utensilios de cocina, papel de aluminio,
herramientas, aparatos portátiles, acondicionadores de aire,
congeladores, refrigeradores, y en equipo deportivo como esquíes y
raquetas de tenis.
Existen cientos de aplicaciones químicas del aluminio y sus compuestos.
El aluminio en polvo se usa en pinturas, combustible para cohetes y
explosivos y como reductor químico.
 
Aleaciones Ligeras 
Se pueden tratar térmicamente. Varias de sus aleaciones son susceptibles de
endurecimiento por precipitación, mediante tratamiento térmico de hipertemple y
maduración. La aleación más común que sufre este proceso es el Duraluminio  (Al+
4%Cu+1%Mg), se calienta a 500°C y se induce la precipitación de CuAl2.
Otras aleaciones ligeras de alta resistencia y de interés para la industria aeronáutica son:
Grupo Al-Cu.- Tienen una elevada resistencia mecánica debido al cobre, pero son menos
resistentes a la corrosión. A este grupo pertenecen los duraluminios que contienen además
del cobre (4-5%), magnesio, manganeso y silicio en cantidades menores. Para aplicaciones
a elevadas temperaturas, suele agregarse níquel, magnesio, silicio, hierro y titanio.
Grupo Al-Mg. Tienen buenas características mecánicas y resistencia a la corrosión. Las
más importantes son las que contienen 3, 5 y 7% de Mg. Por su buen comportamiento
frente al agua de mar y ambientes salinos se usan ampliamente en la construcción naval.
Grupo Al-Zn. Son las más resistentes de las aleaciones base aluminio, pero su
comportamiento a frente a la corrosión no es de los mejores.
Grupo Al-Mn. El Manganeso eleva las características mecánicas del aluminio sin perder la
resistencia a la corrosión que este posee.
 
Algunas aleaciones para aplicaciones específicas
6063 (0,67%Mg, 0,4% Si) para construcción de puertas y ventanas. Su
resistencias está en el orden de 90-290MPa.
6061 1%Mg, 0,5%Si, 0,3%Cu, 0,2%Cr). Resistencia máxima 400MPa.
Usada en construcción.
3003 (1,2% Mn, 0,12%Cu), tiene excelentes propiedades frente a la
corrosión por lo que suele usarse en la fabricación de utensilios de cocina
y quirúrgicos.
2124 es un duraluminio (4,4%Cu, 1,5%Mg, 0,6%Mn).Usado en la
construcción de estructuras de aviones.
2014 (0,4%Cu, 0,8%Si, 0,8%Mn, 05% Mg) también para partes de
aviones.
5052 (2,5%Mg, 0,25%Cr) para tanques de combustible, líneas de
combustible y aceite de los aviones.
7178 (6,8%Zn, 2,7% Mg, 2% Cu, 0,3%Cr) para aplicaciones
aeroespaciales. Resistencia del orden de 730 MPa.