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2.3. EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES El aluminio como se usa en el comercio, tiene un pureza de cerca de 99% y el resto es silicio y hierro. Tiene una estructura fcc y una densidad de 2.70 g/cm3. Su resistencia a la corrosión proviene de la formación natural de una capa de óxido. Esta resistencia del aluminio y sus aleaciones a la corrosión se puede mejorar con el anodizado. Este proceso electroquímico en el que se desarrolla sobre la superficie de aluminio una capa adherente de óxido. El espesor y la uniformidad de la capa de óxido es mucho mayor que los naturales y además se puede teñir para producir efectos decorativos interesantes. El aluminio no produce chispas y no es magnético. Sus características amagnéticas lo hacen útil en aplicaciones de protección eléctrica, mientras que su capacidad de no producir chispazos lo hacen menos peligroso en la proximidad de substancias inflamables o explosivas. El aluminio tampoco es tóxico y esto explica su utilización en utensilios de cocina, en depósitos de agua y para envolver alimentos (láminas de aluminio). Uno de los inconvenientes importantes del aluminio y sus aleaciones es que tiene una resistencia pobre al desgaste de las aleaciones de aluminio se puede mejorar mucho dándoles un recubrimiento duro. Esto se hace con un procedimiento electroquímico semejante a la anodización, excepto que la capa que se obtiene es mucho más gruesa y dura. Se proporciona una capa como de cerámica relativamente gruesa (de 0.50 a 0.25 mm) que se enlaza de modo integral con el subestrato metálico. El aluminio y sus aleaciones se caracterizan por la relativamente baja densidad (2,7 g/cm3 comparada con 7,9 g/cm3 del acero), elevadas conductividades eléctrica y térmica y resistencia a la corrosión en algunos medios incluyendo el atmosférico. Muchas de estas aleaciones se hechuran con facilidad debido a la elevada ductibilidad; esto es evidente en el aluminio puro, que se puede convertir en papel y enrollar. El aluminio tiene estructura cúbica centrada en las caras y es dúctil incluso a temperatura ambiente. La principal limitación del aluminio es la baja temperatura de fusión (660ºC), que restringe su campo de aplicación. La resistencia mecánica del aluminio se logra por acritud y por aleación; sin embargo, ambos procesos disminuyen la resistencia a la corrosión. Los principales elementos de aleación cobre, magnesio, silicio, manganeso y zinc. Las aleaciones no tratables térmicamente (capaces de endurecer por precipitación) como consecuencia de la aleación. Las aleaciones de aluminio se suelen clasificar en moldeables y en hechurables. Las composiciones de ambos tipos se designan mediante cuatro dígitos que indican los solutos principales y, en algunos casos, el nivel de pureza. En las aleaciones moldeadas se intercala un punto decimal entre las dos últimas cifras. Después de estas cifras hay un espacio y la designación de la disposición: una letra y posiblemente un número de una a tres cifras, que indica el tratamiento mecánico y/o térmico aplicado a la aleación. Por ejemplo, F, H y O representan la condición conformado, con acritud y recocido, respectivamente; T3 significa que la aleación ha experimentado un tratamiento térmico de disolución, se ha hechurado en frío y luego se ha envejecido a temperatura ambiente (endurecimiento por envejecimiento). El tratamiento térmico de solubilización seguido de un envejecimiento artificial se indica mediante T6. La tabla que se mostrará a continuación (Tabla 2.3) contiene composiciones, propiedades y aplicaciones de varias aleaciones de aluminio hechuradas y moldeadas.

Debido a la gran cantidad de energía eléctrica utilizada en la preparación del aluminio, se están buscando activamente sistemas menos intensos para su preparación, pero todavía ninguno de ellos se encuentra en uso a gran escala. Una atención cuidadosa a los detalles de manufactura reducido la energía requerida por el proceso Hall-Heroult en un 20%, pero se desea una reducción mayor 2.3.1. EFECTOS DE LAS ADICIONES A LA ALEACIÓN El cobre se añade principalmente para formas un sistema de aleación que puede endurecerse por envejecimiento. Aunque el cobre perjudica a la resistencia a la corrosión del aluminio, sus efectos dañinos se minimizan por medio de un tratamiento apropiado de solución y precipitación. El silicio se caracteriza, sobre todo, por mejorar la compactación gaseosa y la fluidez de las piezas de fundición a la mitad del valor correspondiente al aluminio puro. El silicio es perjudicial para la capacidad de labrado a máquina, la ductibilidad y la facilidad de trabajo de las aleaciones fraguadas. Junto con el silicio se añade magnesio, para mejorar la resistencia a la corrosión y formar una aleación de silicio y magnesio, que se puede endurecer por envejecimiento. Se añaden también otros elementos, para lograr efectos similares. La composición química tiene más importancia en las aleaciones de aluminio, que en las de cobre, cuando se debe elegir entre el método de fundición o el de trabajado mecánico, para la obtención de piezas. Esto justifica la clasificación de las aleaciones de aluminio en colables y forjables, según que ellas se adapten más a los procesos de fundición o a los de trabajado mecánico respectivamente. Los elementos de aleación favorecen en general los procesos de fundición y dificultan los de trabajado mecánico. Un contenido de alrededor de un 7% de elementos de aleación marca un límite aproximado entre las aleaciones colables y las forjables. Ese límite no es riguroso, pues existen algunas aleaciones colables con contenidos del orden del 5% de elementos de aleación. Algunas aleaciones, cuyo contenido de aleantes es del orden del 7%, pueden ser empleadas tanto en los procesos de fundición como en los de trabajado mecánico. Las aleaciones de aluminio se clasifican también en binarias y complejas, según que el aluminio esté respectivamente acompañado de uno solo o de varios elementos aleantes. 2.3.2. SERIES DE ALUMINIO SEGÚN SUS ALEANTES Las aleaciones de aluminio (tanto las forjadas como las moldeadas) se clasifican en función del elemento aleante usado (al menos el que esté en mayor proporción). Los elementos aleantes más usados son:

Serie 2xxx. En estas aleaciones el principal elemento aleante es el Cu, pero a veces también se le añade Mg. Las características de esta serie son: buena relación dureza-peso y mala resistencia a la corrosión. En lo referente a la primera característica decir que algunas de las aleaciones de esta serie tienen que ser sometidas a TT de solubilidad y a veces de envejecimiento para mejorar sus propiedades mecánicas. Una vez hecho esto la serie 2xxx tiene unas propiedades mecánicas que son del orden y, a veces superiores, que las de los aceros bajos en carbono. El efecto de los TT es el aumento de la dureza con una bajada de la elongación. En lo referente a la segunda característica estas aleaciones generalmente son galvanizadas con aluminio de alta pureza o con aleaciones de la serie 6xxx para protegerlas de la corrosión y que no se produzca corrosión intergranular. Los usos más frecuentes que se le dan a estos aluminios son (generalmente son usados en lugares donde sea necesario una alta relación dureza-peso) en las ruedas de los camiones y de los aviones, en la suspensión de los camiones, en el fuselaje de los aviones, en estructuras que requieran buena dureza a temperaturas superiores a 150 ºC. Para finalizar decir que salvo la aleación 2219 estas aleaciones tienen una mala soldabilidad pero una maquinabilidad muy buena. Serie 3xxx. En estas aleaciones el principal elemento aleante es el Manganeso. Estas aleaciones tan solo tienen un 20% más de dureza que el aluminio puro. Eso es porque el Manganeso solo puede añadirse de forma efectiva en solo un 1.5%. Por ello hay muy pocas aleaciones de esta serie. Sin embargo los aluminios 3003, 3×04 y 3105 son muy usados para fabricar utensilios que necesiten dureza media y que sea necesario buena trabajabilidad para fabricarlos como son botellas para bebidas, utensilios de cocina, intercambiadores de calor, mobiliario, señales de tráfico, tejados y otras aplicaciones arquitectónicas. Serie 4xxx. En esta serie el principal elemento aleante es el Si que suele añadirse en cantidades medianamente elevadas (por encima del 12%) para conseguir una bajada del rango de fusión de la aleación. El objetivo es conseguir una aleación que funda a una temperatura más baja que el resto de aleaciones de aluminio para usarlo como elemento de soldadura. Estas aleaciones en principio no son tratables térmicamente pero si son usadas en soldadura para soldar otra aleaciones que son tratables térmicamente parte de los elementos aleantes de las aleaciones tratables térmicamente pasan a la serie 4xxx y convierten una parte de la aleación en tratable térmicamente. Las aleaciones con un elevado nivel de Si tienen un rango de colores que van desde el gris oscuro al color carbón y por ello están siendo

demandadas en aplicaciones arquitectónicas. La 4032 tiene un bajo coeficiente de expansión térmica y una alta resistencia al desgaste lo que la hace bien situada para su uso en la fabricación de pistones de motores. Serie 5xxx. Esta serie usa como principal elemento aleante el Magnesio y a veces también se añaden pequeñas cantidades de Manganeso cuyo objetivo es el de endurecer el aluminio. El Magnesio es un elemento que endurece más el aluminio que el Manganeso (un 0.8 de Magnesio produce el mismo efecto que un 1.25 de Mn) y además se puede añadir más cantidad de Magnesio que de Manganeso. Las principales características de estas aleaciones son una media a alta dureza por endurecimiento por deformación, buena soldabilidad, buena resistencia a la corrosión en ambiento marino y una baja capacidad de trabajo en frío. Estas características hacen que estas aleaciones se usen para adornos decorativos, ornamentales y arquitectónicos, en el hogar, iluminación de las calles y carreteras, botes, barcos y tanques criogénicos, partes de puentes grúa y estructuras de automóviles. Serie 6xxx. En estas aleaciones se usan como elementos aleantes el Magnesio y el Si en proporciones adecuadas para que se forme el Mg2Si. Esto hace que esta aleación sea tratable térmicamente. Estas alecciones son menos resistentes que el resto de aleaciones, a cambio tiene también formabilidad, soldabilidad, maquinabilidad y resistencia a la corrosión. Estas aleaciones pueden moldearse por un TT T4 y endurecido por una serie de acciones que completen el TT T6. Su uso suele ser el de aplicaciones arquitectónicas, cuadros de bicicletas, pasamanos de los puentes, equipo de transporte y estructuras soldadas. Serie 7xxx. El Zn añadido en proporciones que van desde el 1 al 8 % es el elemento aleante en mayor proporción en estas aleaciones. A veces se añaden pequeñas cantidades de Magnesio para hacer la aleación tratable térmicamente. También es normal añadir otros elementos aleantes como Cu o Cr en pequeñas cantidades. Debido a que la principal propiedad de estas aleaciones es su alta dureza se suele usar en las estructuras de los aviones, equipos móviles y otras partes altamente forzadas. Debido a que esta serie muestra una muy baja resistencia a la corrosión bajo tensión se le suele aplicar levemente un TT para conseguir una mejor mezcla de propiedades. 2.3.3. TRATAMIENTOS TÉRMICOS PARA ALEACIONES •

Envejecimiento Artificial Si se realiza la operación de envejecimiento, en cuanto tiempo y temperatura, de tal manera que la fase expulsada se precipite en partículas de dimensiones críticas, continuaran los efectos de endurecido por envejecimiento. En cuanto se sobrepasan esas dimensiones críticas, la variación de las propiedades mecánicas varían de sentido: sobreenvejecimiento. Fig. 31.16.

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Ciclos típicos de Tratamientos Térmicos Las aleaciones de aluminio se someten al tratamiento de recocido para eliminar tensiones internas y, por tanto, para disminuir la dureza. Se sabe que muchas aleaciones férreas y no férreas hipertempladas desde una temperatura relativamente elevada aumentan su dureza por subsiguiente permanencia a temperatura ambiente, y el fenómeno se denomina endurecimiento por envejecimiento natural. Fig. 31.15.

2.3.4. APLICACIONES DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO Algunas de las aplicaciones más comunes de las aleaciones de aluminio son: partes estructurales de los aviones, latas para bebidas refrescantes, partes de las carrocerías de autobuses y de los automóviles (culatas, pistones y colectores de escape). Las aleaciones de aluminio se utilizan cuando los ahorros de peso estructural hacen posible un aumento de la carga, como en la industria de los transportes. El aluminio puro se utiliza como conductor eléctrico, combinado a veces con acero, para soportar el peso de los cables suspendidos; se emplea también para fines arquitectónicos, debido a su resistencia a la corrosión y para equipos de elaboración de alimentos, por las mismas propiedades. Además, la naturaleza no tóxica de sus productos de corrosión lo hace ser un buen recipiente para pasta dentífrica y otros productos de consumo interno. Actualmente se presta mucha atención a las aleaciones de aluminio y de otros metales de baja densidad (por ejemplo, Mg y Ti) como materiales utilizados en los transportes, debido al efecto de ahorro de combustible. Una importante característica de estos materiales es la resistencia específica, cuantificada como la relación entre resistencia a la tracción y densidad. Aunque una aleación de estos metales tenga una resistencia a la tracción inferior a la de un material más denso (por ejemplo, acero) para un peso determinado puede aguantar una carga mucho mayor. .

TABLA 2.4. Principales grupos de familias de aleaciones de aluminio (Asociación de aluminio) Aleaciones con sus Seri principales elementos es 99,00% min. aluminio 1XXX Cobre 2XXX Manganeso 3XXX Silicio

4XXX

Magnesio

5XXX

Magnesio y Silicio

6XXX

Zinc Otros elementos

7XXX 8XXX

Aplicaciones Típicas Hoja, chapas para lipografía, chapas Industria aeronáutica. Latas, radiadores de edificios. Intercambiadores de calor e ingeniería. Latas, automóviles, fachadas, construcción, transporte. Automóviles, construcción y transporte. Industria aeronáutica y radiadores. Hoja (Fe), Industria aeronáutica (Li)