El Aluminio y sus Aleaciones

1. Características y Propiedades

La estructura del Aluminio (Al) es FCC, su densidad es de 2.7 g/cm³, por lo que es un material muy ligero. Tiene una buena resistencia a la corrosión porque cuando se pone en contacto con el O₂, forma una capa protectora de Al₂O₃. Su conductividad térmica es buena, pero su resistencia en estado puro es baja.

Ventajas:

• Es muy abundante.
• Baja densidad.
• Resistencia a la corrosión.
• Baja toxicidad.
• Bajo coste.
• No es magnético.
• Buen conductor eléctrico y térmico.
• Buena conformabilidad, moldeabilidad y mecanizado.
• Alta resistencia específica.

Inconvenientes:

• Alto gasto de energía para extraer la mena.
• Baja resistencia del metal puro, por lo que hay que alearlo para conseguir buenas propiedades mecánicas.
• Soldadura difícil, debido a la capa de óxido superficial (ya que se necesita contacto metal-metal, y la capa de Al₂O₃ lo impide).

Resistencia a la corrosión:

Posee una buena resistencia a la corrosión atmosférica, pero en la corrosión química no es muy utilizado. Es tan resistente a la corrosión porque es un elemento con mucha afinidad por el O₂, formando una capa de Al₂O₃ que es dura, continua, adherente, protectora y poco porosa. La resistencia a la corrosión permite disminuir el contenido en aleantes, pero tenemos que tener cuidado de no poner en contacto el Al con Cu ni con Fe, ya que forman pares galvánicos que destruyen la capa protectora de alúmina.

Resistencia eléctrica:

Conduce un 60% de lo que lo hace el Cu. Se usa rodeado de acero para transportar la corriente en líneas de alta tensión, y sustituye al Cu en muchos casos, debido a su elevado precio; así, cuando necesitamos que algo conduzca, pero poco, usamos el Al.

Conductividad térmica:

Posee una buena conductividad térmica y se usa en utensilios de menaje. Pero cuando está asociado a otros metales, tiene un coeficiente de dilatación térmica alto, y esto no nos conviene; además, su punto de fusión es bajo, por lo que lo limita mucho en cuanto a conductor térmico.

Aplicaciones:

No tóxico.

2. Clasificación y Designación de las Aleaciones

Las designaciones básicas son:

• F → De fabricación.
• O → Recocido y Recristalizado.
• H → Endurecido por deformación en frío.
• T → Tratamiento térmico.

Las aleaciones se clasifican en: forja y colada.

Nomenclatura:

Al > 99% 1xxx; Al-Cu 2xxx; Al-Mn 3xxx; Al-Si 4xxx; Al-Mg 5xxx; Al-Mg-Si 6xxx; Al-Zn 7xxx; Otros elementos 8xxx.

1xxx

Su composición química es de 99,0-99,7%, y es un material blando y dúctil, con una alta conformabilidad, una alta soldabilidad y una buena resistencia a la corrosión. Se endurece por deformación en frío. Para conseguir las mejores propiedades, afinar al máximo el Fe.

4. Aleaciones de Forja

No Tratables Térmicamente:

Alto grado de endurecimiento por trabajo, con una buena resistencia a la corrosión.

5xxx (Al-Mg):

Tratables Térmicamente:

Surgen cuando un metalúrgico recoció y templó en agua una aleación (Al, 3,5% Cu y 0,5% Mg), buscando un endurecimiento como el del acero; y vio que al cabo de unos días, se endurecía. A esta aleación se le llamó duraluminio.

2xxx (Al-Cu y Al-Cu-Mg):

Las aleaciones más utilizadas son las de la serie 2000 (sobre todo la 2014), ya que presentan alta resistencia. Para disolver los precipitados de Al₂Cu, tenemos que solubilizar por debajo del eutéctico (548 °C) para que no se concentre el Cu en los límites de grano (porque luego éstos se fundirían si estuvieran a más de 548 °C). Pero también se puede trabajar en frío y envejecer. Cuantos más aleantes tenga la aleación, más rápido se alcanzarán las zonas deseadas, por lo que el material endurecerá antes. Las propiedades de las aleaciones Al-Cu, es que tienen una buena soldabilidad, una buena resistencia a la corrosión bajo tensión, unas excelentes propiedades a alta temperatura. En cuanto a las propiedades de las aleaciones Al-Cu-Mg, dependen del tratamiento térmico, pero al añadir Mg, se acelera e intensifica el endurecimiento por precipitación, lo que hace que sus propiedades sean mejores que las de las aleaciones Al-Cu. Al realizar un tratamiento térmico a baja temperatura, obtenemos picos más altos, lo que significa una mayor resistencia, tiempos más largos; en cambio, con temperaturas elevadas. Con una mayor distribución de los precipitados, las dislocaciones estarán más impedidas, por lo que la resistencia mecánica será mayor. Al deformar en frío, los precipitados se orientan en la dirección de la carga, haciendo que los huecos de nucleación sean más pequeños y dotando así de una mayor resistencia al material.

6xxx (Al-Mg-Si):

Poseen una buena resistencia a la corrosión atmosférica, pero si se le añade más de 0,5% Cu, ésta se reduce. El precipitado endurecedor que forma es el Mg₂Siβ, y las aleaciones de este tipo que más se usan son la 6061 y 6063. Al adicionarles aleantes, aumenta la resistencia mecánica y se controla el tamaño del grano. La resistencia máxima del material se alcanza con la formación de β´. El aumento de resistencia se debe sólo al aumento de energía requerida para liberar las dislocaciones de las partículas de precipitado. Como la difusión es más rápida en los límites de grano, en estos no hay precipitado; las propiedades serán mejores o peores dependiendo de la anchura del límite de grano: a más anchura, más débil.

7xxx (Al-Zn-Mg y Al-Zn-Cu):

Son las aleaciones de Al de mayor resistencia; si no se les añade Cu, son soldables, y con el Cr se aumenta la resistencia a corrosión bajo tensión. La máxima resistencia se obtiene con un tratamiento dúplex para conseguir alta densidad de zonas GP. Si se añade un 2% de Cu, se aumenta la resistencia mecánica. Sus propiedades mecánicas son las más altas dentro de las aleaciones de forja tratables térmicamente; pero al trabajarlo en frío entre la solubilización y el envejecimiento, no endurece apreciablemente estas aleaciones.

8xxx y 2xxx (Al-Li):

Son las aleaciones de Al más ligeras, ya que poseen una menor densidad, un mayor límite elástico, una excelente resistencia a la fatiga, excelentes propiedades criogénicas, e incluso algunas son superplásticas, es decir, son capaces de conseguir grandes deformaciones sin que se produzca rotura. Desventajas: alto precio (por el Li), una baja ductilidad y resistencia. Las propiedades mecánicas de estas aleaciones son buenas. Tienen alta solubilidad, que a medida que aumenta la temperatura, va disminuyendo. Aplicaciones: estructuras aeronáuticas.

5. Aleaciones de Moldeo

No Tratables Térmicamente:

Se moldean en arena o en coquilla, y se usan donde se requiere rigidez, resistencia a la corrosión y fluidez en la colada, siempre que no requiera demasiada resistencia.

4xx.x y 3xx.x (Al-Si):

Contienen un 9-13% Si (ya que es donde se encuentra el eutéctico). En la serie 3xx.x, pequeñas cantidades de Cu mejoran la resistencia mecánica, mejoran la maquinabilidad y disminuyen la resistencia a la corrosión; pero en general presentan buena resistencia a la corrosión y soldabilidad. En estos tipos de aleación, pueden tener lugar los eutécticos divorciados, ya que el Si tiene una estructura muy definida que crece por otro lado que el Al; este tipo de formación no es recomendable (al igual que las agujas). La estructura del Si se puede modificar añadiendo Na, ya que retrasa la precipitación del Si que al tener forma de agujas empeora las propiedades de la aleación; no crecerá en forma laminar, pero al menos se consigue que se formen cristales pequeños que no perjudican; al añadir Sr el Si no se forma en agujas, sino que lo hace en placas (sin puntas). Además, el Na rodea los cristales de Si inhibiendo su crecimiento; pero si se vuelve a fundir la aleación, el Na se pierde ya que el Mg se oxida, así, cada vez que se cuele el Si, hay que añadir nuevamente Na. En cuanto a las propiedades, es una aleación dúctil, con una alta fluidez, una baja contracción y un intervalo de solidificación pequeño, por lo que son buenos para el moldeo. Como son más ligeras que las aleaciones de forja, permite la formación de piezas complejas de una sola vez. Por su alta resistencia a la corrosión se usa en aplicaciones marinas, se usan en automoción y aeronáutica.

Tratables Térmicamente:

2xx.x (Al-Cu):

Son la serie 200, y fueron las primeras en desarrollarse (duraluminios), pero han sido reemplazados por las aleaciones Al-Si-Mg aunque tienen peores características del moldeo y menos resistencia a la corrosión. Su peso es bajo, por lo que su resistencia al desgaste es mala; además aumentan el costo, pero su conductividad térmica es buena.

Aleaciones Al-Si Hipereutécticas:

El contenido en Si varía entre el 18-25%. El Si primario fragiliza el sistema pero mejora la resistencia al desgaste, ya que el grano proporciona mejores propiedades cuanto más fino y mejor distribuido esté; para afinar se le añade P, S y As en el fundido. Se usan para cilindros.

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