ALUMINIO

INTRODUCCION

En los siguientes capítulos veremos, el aluminio como el elemento más reactivo de su grupo, en todas sus formas que están recubiertas por una delgada capa de óxido de aluminio, que le confiere resistencia frente a la mayoría de los reactivos, siendo ésta una de las características más destacables de este material. Asimismo, el aluminio metálico es resistente a la acción de ácidos minerales diluidos o a soluciones que contengan iones metálicos menos electropositivos que el aluminio, así como también al oxígeno de la atmósfera.

Componente Principal Número Grupo de Aleación

Aluminio sin alear 99% 1

Cu 2

Mn 3

Si 4

Mg 5

Mg, Si 6

Zn 7

Otros 8

RESISTENCIA

El aluminio es estable al aire y resistente a la corrosión por el agua de mar, a muchas soluciones acuosas y otros agentes químicos.

Propiedades mecánicas

4.1- Resistencia mecánica

Las características mecánicas del aluminio varían considerablemente dependiendo del tipo de aleación que se esté considerando.

En la siguiente tabla se muestran los valores de la carga de rotura (N/mm2), el límite elástico (N/mm2), el alargamiento en la rotura (en %) y la dureza Brinell para las aleaciones de aluminio más comunes:

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

 

En la siguiente figura ilustrativa se muestra cómo varía el límite elástico, que es la tensión para la cual se alcanza una deformación del 0,2% en la pieza ensayada según el ensayo de tracción. Los resultados se muestran para las diferentes aleaciones de aluminio:

 

Por otro lado, la resistencia a cizallamiento es un valor importante a tener en cuenta para calcular la fuerza necesaria para el corte, así como para determinadas construcciones. No existen valores normalizados a este respecto, pero generalmente es un valor que está entre el 55 y 80 % de la resistencia a la tracción.

Por último, en la siguiente tabla se muestran los valores del alargamiento de la pieza que se alcanza en el ensayo de tracción, justo antes de producirse la rotura de la pieza:

 

4.2- Módulo de elasticidad longitudinal o Módulo de Young

El módulo de elasticidad longitudinal o módulo de Young (E) relaciona la tensión aplicada a una pieza según una dirección con la deformación originada en esa misma dirección, y siempre considerando un comportamiento elástico en la pieza.

Para las aleaciones de aluminio, el módulo de elasticidad longitudinal, E, tiene el siguiente valor:

E= 70.000 MPa (70.000 N/mm2)

 

4.3- Módulo de elasticidad transversal

El módulo de elasticidad transversal, módulo de cortante o también llamado módulo de cizalla, G, para la mayoría de los materiales, y en concreto para los materiales isótropos, guarda una relación fija con el módulo de elasticidad longitudinal (E) y el coeficiente de Poisson (ν), según la siguiente expresión:

G   =E

2 x ( 1 + ν )

En la siguiente tabla se indica los valores para el Módulo de elasticidad transversal, G, para distintos materiales, además de para el aluminio:

Material G (MPa)

Acero 81.000

Aluminio 26.300

Bronce 41.000

Cobre 42.500

Fundición Gris (4.5 %C) 41.000

Hierro Colado < 65.000

Hierro Forjado 73.000

Latón 39.200

Tabla 3. Módulo de elasticidad transversal, G

 

4.4- Coeficiente de Poisson

El coeficiente de Poisson (ν) corresponde a la razón entre la elongación longitudinal y la deformación transversal en el ensayo de tracción. Alternativamente el coeficiente de Poisson puede calcularse a partir de los módulos de elasticidad longitudinal y transversal, según la expresión siguiente:

ν =E

  -————— 12 x G

Para el aluminio aleado, toma el siguiente valor:

ν = 0,33

Como en el caso anterior, las expresiones arriba indicadas del coeficiente de Poisson, n, son valores constantes siempre dentro del rango de comportamiento elástico del aluminio.

 

4.5- Dureza Brinell

La dureza es una propiedad que mide la capacidad de resistencia que ofrecen los materiales a procesos de abrasión, desgaste, penetración o de rallado. Para medir la dureza de un material se emplea un tipo de ensayo consistente en calibrar la resistencia de un material a la penetración de un punzón o una cuchilla que se usa como indentador. Este indentador usualmente consta en su extremo, o bien de una esfera, o bien de una pieza en forma de pirámide, o en forma de cono y que está compuesto de un material mucho más duro que el material que se está midiendo. La profundidad de la entalla que se produce en el material al ser rallado por este penetrador nos dará una medida de su dureza.

Existen varios métodos para calibrar la dureza de un material, siendo el método Brinell y el método Rockwell los más comunes.

El método Brinell (ASTM E10) es un tipo de ensayo utilizado para calcular la dureza de los materiales. Consiste en una esfera de 10 mm de diámetro, usualmente de un acero endurecido, que se presiona contra la superficie del material objeto de estudio bajo una carga estática de 3.000 kg. El tamaño de la huella nos proporcionará una medida de la dureza, denominada dureza Brinell, bajo estas condiciones del ensayo.

En la siguiente tabla se muestran los valores de dureza Brinell que alcanzan las distintas aleaciones de aluminio, junto con los datos de la carga de rotura (N/mm2), el límite elástico (N/mm2) y el alargamiento en la rotura (en %):

 

2. SOLUBILIDAD EN OTROS METALES

Los principales metales empleados para su aleación con aluminio son los siguientes: Cobre (Cu), silicio (Si), cinc (Zn), magnesio (Mg), y manganeso (Mn). Y los que pudiéramos considerar como secundarios, son los siguientes:

Níquel (Ni), titanio (Ti), hierro (Fe), cromo (Cr) y cobalto (Co). Sólo en casos especiales se adicionan:

Plomo (Pb), cadmio (Cd), antimonio (Sb) y bismuto (Bi).

2.1 Aleaciones de aluminio puro. También conocido como ALPUR. Aluminio Puro. Presenta una elevada resistencia a los agentes atmosféricos, una gran conductividad térmica y eléctrica y una excelente actitud a las deformaciones. Sus características mecánicas son relativamente bajas. Su utilización está muy extendida: industria eléctrica, química, petroquímica, edificación, decoración, menage, etc...

ALEACIONES DE ALUMINIO

2.2 Aleaciones de aluminio- cobre.

La solubilidad del cobre en el aluminio varía del 0,45% a 300ºC, hasta 5,7% a 547ºC, lo que se utiliza para el temple de precipitación a que puede ser sometidas estas aleaciones. El cobre endurece mucho el aluminio, por lo que estas aleaciones poseen propiedades mecánicas excepcionales, pero mantienen la buena maquinabilidad y ligereza que posee el aluminio. En general, estas aleaciones, se caracterizan por una buena resistencia al calor y una menor resistencia a los agentes atmosféricos que las aleaciones sin cobre. Estas aleaciones no pueden ser soldadas más que por técnicas particulares como por ejemplo la soldadura por haz de electrones. Comúnmente son denominadas Cobral.

2.-3 Aleaciones de aluminio-silicio.

Estas aleaciones siguen en importancia a las del aluminio-cobre. El porcentaje de silicio suele variar del 5 al 20%.El silicio endurece al aluminio y, sobre todo, aumenta su fluidez en la colada y su resistencia a la corrosión. Las aleaciones Al-Si son muy dúctiles y resistentes al choque; tienen un bajo coeficiente de dilatación y una elevada conductividad calorífica y eléctrica, pero son difíciles de mecanizar por la naturaleza abrasiva del silicio. Su peso específico es alrededor del 2,7.

La principal aplicación de las aleaciones aluminio-silicio son la fundición de piezas difíciles, pero buenas cualidades de moldeo, y la fabricación de piezas para la marina, por su resistencia a la corrosión. Pero no se emplean para piezas ornamentales porque ennegrecen con el tiempo.

2.4 Aleaciones de aluminio-cinc. En estas aleaciones figura el cinc con un porcentaje máximo del 20%. En la figura posterior queda representado el diagrama Al-Zn, en el que están presentes la solución sólida _ de cinc en aluminio, la solución sólida _ de aluminio en cinc, que algunos autores identifican con cinc elemental, y la solución sólida intermedia.Como no se forman compuestos químicos no puede aplicarse a estas aleaciones el temple de precipitación. Las aleaciones de cinc son más baratas que las de cobre a igualdad de propiedades mecánicas, pero menos resistentes a la corrosión y más pesadas. Comúnmente son denominadas Zincal.

2.5 Aleaciones de aluminio-magnesio.

Estas aleaciones contienen magnesio en proporciones inferiores al 10% de Mg. En general, el magnesio va asociado a otros elementos como el cobre, silicio, cinc, etc,...,

es decir, formando aleaciones ternarias, en las que el magnesio figura con proporciones del 0,1 al 1%.La solubilidad sólida del magnesio en aluminio varía del 4,4% a 250ºC hasta 14,9% a 450ºC. Por esto, las aleaciones Al-Mg admiten el temple de precipitación.

2.6Aleaciones de aluminio-manganeso.

El manganeso se encuentra en la mayor parte de las aleaciones de aluminio ternarias y cuaternarias. Su solubilidad en el aluminio pasa del 0,35% a 500ºC a la temperatura eutéctica, que es 658,5ºC, como podemos observar en el diagrama de fases de Al-Mn de la figura siguiente. La concentración eutéctica es de 1,95% de Mn. A la temperatura ambiente, y hasta un 25% de Mn la aleación está formada por Al + Al6 Mn. El

manganeso aumenta la dureza, la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión de las aleaciones de aluminio.

2.7Otros elementos de adición con el aluminio. Además de los elementos citados, que son los principales, de aleación con el aluminio,se encuentran formando parte de las aleaciones ternarias y cuaternarias el hierro, el níquel, el titanio, el cromo, y el cobalto. Todos estos elementos se encuentran en las aleaciones generalmente en forma de aluminuros, Al3Fe2, Al3Ni, Al7Cr, Al3Co, que son insolubles o casi

insolubles en la matriz de la aleación. El hierro, aunque sea en pequeñas proporciones, forma parte de todas las aleaciones incorporado con el aluminio técnico, del que forma parte siempre como parte de impureza. El titanio se adiciona para refinar el grano en la aleaciones con la mejora consiguiente de las propiedades mecánicas. El cobalto endurece las aleaciones. Y el níquel y cromo, además de endurecerlas, mejora su resistencia a la corrosión.

3. FORMAS COMERCIALES, TIPOS Y USOS PROCEDIMIENTOS DE REFINACION

Usos del Aluminio Transporte: Por su ligereza, el aluminio es cada vez mas utilizado en coches, autobuses, trenes, bicicletas. Existen autos fabricados enteramente de aluminio como el Audi A-8.

Envase y Embalaje: El aluminio es ligero e impermeable, con excelentes propiedades que protegen a los productos de la luz, humedad, el oxígeno y los

microorganismos que pueden alterar la conservación, ya que no es toxico ni tiene sabor.

El bajo peso del aluminio y su conductibilidad hacen que sea material de preferencia para la industria de la electricidad, y debido a su ligereza se utilizan menos postes para sostener los cables. El uso de Al en el cableado subterráneo ha aumentado, al igual que en los transformadores, cajas de fusibles, televisiones, entre otros... 3.2 PROCESO DE REFINACION DEL ALUIMINIO

Refinación del aluminioPara la electrólisis del óxido de aluminio unido a la criolita se emplean cubas de hierro recubiertas por

carbón de retorta, que hace de cátodo y ánodos de grafito.

Primero se coloca en el interior de la cuba, criolita y se acercan los ánodos a las paredes de la cuba, de esta forma se genera un arco eléctrico (1000 C°) que funde la criolita. Se añade entonces el óxido de

aluminio y comienza la electrólisis. El cátodo se va consumiendo durante el proceso y aluminio fundido se deposita en el fondo de la cuba donde se retira por un orificio lateral, ubicado en la parte inferior de

la misma.

Anodo:

6O= + 3C → 3CO2 + 12e‾

Cátodo:

4Al+++ + 12e‾ → 4Al°

Reacción global:

2AL2O3 ⇔ 4AL+++ + 6O=

Conclusión

El aluminio es tóxico aún a bajas concentraciones en los suelos, produce deformaciones a nivel de raíces de plantas y participa de lo que se conoce como complejo de instauración constituido por los hidrogeniones más el aluminio. En síntesis, si el aluminio no estuviese presente en los suelos, no se desencadenarían los procesos que conducen a la nutrición de las plantas, pero por otra parte, este elemento es tóxico para los cultivos. Los usos más frecuentes del aluminio son:

Empaquetamiento y embalaje de alimentos: papel de aluminio, enlatados, briks, etc.

En edificaciones Carpintería metálica, en la fabricación de puertas, ventanas, armarios, etc. Y

decoración. Cardería ( aunque su uso para la cocción no es recomendable) Gracias a su gran reactividad, se usa como combustible en naves espaciales y

como potenciador de explosivos, etc.