EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES ANDRES FABIAN CASTILLO DEYBI LOPEZ MALDONADO FUNDACION UNIVERSITARIA LOS LIBERTADORES INGENIERIA MECANICA METALES Y TRATAMIENTOS TERMICOS BOGOTA 2010 OBJETIVOS Definir y conceptualizar que es el aluminio y como se obtiene. Conocer los diferentes tipos de aleaciones del aluminio y sus diagramas de fase Aprender a interpretar este tipo de diagramas. Establecer cuáles son los diferentes tipos de tratamientos térmicos que se pueden realizar con el aluminio. Conocer las diferentes propiedades del aluminio. Explicar la importancia del duraluminio y sus aplicaciones. EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES. El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y numero atómico 13. Se trata de un metal no ferro magnético. Es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la vegetación y de los animales. En estado natural se encuentra en muchos silicatos (feldespatos, plagioclasas y micas). Como metal se extrae únicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, por transformación primero en alúmina mediante el proceso Bayer y a continuación en aluminio metálico mediante electrolisis. OBTENCION DEL ALUMINIO Se obtiene a través de cuatro elementos que son: Bauxitas: Las bauxitas contienen el equivalente a 30-57% de Al2O3 en forma de hidróxido de aluminio Al(OH)3 ; 17-35% de Fe2O3 ; 3-13% de SiO2 ; 2-4% de TiO2 ; hasta 3% de CaO y 1018% de H2O Nefelinas: Las nefelinas se producen en forma de colas, después del beneficio de rocas de apatitas y contienen cerca de 30% de Al2O3 ; 20% de Na2O+K2O ; 40-45% de SiO2 ; 2-4% de CaO y 2-4% de Fe2O3. Alunitas: Las alunitas contienen 20-21% Al2O3 ; 4.5-5% de Na2O+K2O ; 22-23% de SO3 ; 4142% de SiO2 ; 4-5% de Fe2O3 y 6-7% de H2O. Caolines. El óxido deshidratado del aluminio tiene una temperatura de fusión de 2050 oC y de ebullición de 2980 oC sin descomposición, resulta una sustancia muy estable. La reducción del óxido a aluminio resulta imposible con carbono o con monóxido de carbono ya que este proceso lleva a la formación de carburos (Al4C3). Tampoco se logra obtener aluminio por disolución acuosa de sales, ya que en el cátodo se desprende solo hidrógeno. Por eso, el aluminio se obtiene por electrólisis, a partir de la alúmina disuelta en criolita (Na3AlF6) fundida, la que a su vez se produce usando fluorita (CaF2), el hidróxido de aluminio, el carbonato sódico y el ácido sulfúrico. El baño electrolítico se compone de una caja de acero recubierta interiormente con ladrillos termo aislantes, el fondo de la caja está recubierto de bloques de carbón conductor y que sirven como uno de los electrodos (cátodo). Afinación del aluminio. El aluminio obtenido de las cubas de electrólisis de la alúmina contiene cierta cantidad de impurezas, alúmina, criolita y gases, por lo que para obtener aluminio de alta pureza (99.8599.9%) se someten a un proceso de afinación. Hay dos vías principales de afinar el aluminio: 1. La clorinación: Por este método se insufla cloro a la masa de aluminio fundido a temperatura de entre 750-770oC, durante unos 10-15 minutos. Durante la insuflación las impurezas reaccionan con el cloro y se separan del aluminio, aunque una parte (1%) del aluminio reacciona también y se separa, produciendo pérdidas del material. 2. La afinación electrolítica: Para afinar el aluminio por el método electrolítico, las barras de aluminio impuro se colocan como ánodos en un baño de sales de cloro y flúor y este se descarga a pureza muy elevada en cátodos hechos de aluminio puro. El paso final es la producción de aluminio metálico por algún proceso electrolítico desde la reducción de alúmina con carbón, pero esta es sólo posible a altas temperaturas y la reacción inversa ocurre sobre el enfriamiento. Por la química del aluminio, el medio electrolítico no puede ser agua; de hecho, casi toda la producción comercial del aluminio durante los últimos 90 años ha sido un medio de criolita fundida, Na3AlF6 Los pasos que siguen en la producción de aluminio metálico son: Se instala o se reemplaza el recubrimiento de la celda Se manufacturan los ánodos de carbono y se usan en la celda 3 Se prepara el baño de criolita y se controla su composición Se disuelve la alúmina en el baño de criolita fundida La solución de aluminio en la criolita fundida es electrolizada para formar aluminio metálico, que sirve como cátodo. El electrodo de carbono es oxidado por el oxigeno liberado El aluminio fundido se extrae de las celdas, aleado (si se desea), fundido en lingotes y enfriado. PROCESOS ALTERNOS DE PRODUCCION 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 a reducido la energía requerida por el proceso Hall-Heroult en un 20%, pero se desea una reducción mayor. PROPIEDADES DEL ALUMINIO 1. Propiedades Físicas El aluminio comercialmente puro (riqueza no inferior al 99%) posee las características siguientes: Densidad: 2.7 Coeficiente de dilatación lineal entre 20 y 100 °C:24 X100 Punto de fusión: 658 °C Punto de ebullición: 2.450 °C Conductibilidad térmica cal.cm7cm2 8°C: .5 Resistencia térmica especifica cm]: 2.6 2. Propiedades Mecánicas Modulo de elasticidad: 6.700kg7mm2 Modulo de torsión: 2.700kg7mm2 Recocido: 8kg7mm2 Carga de rotura agrio: 18kg7mm2 Recocido 20 brinell dureza agrio 47 brinell recocido 35% Alargamiento duro 5%. 3. Propiedades Químicas El aluminio posee una gran afinidad por el oxigeno recubriéndose espontáneamente de una delgada capa de oxido que lo protege del exterior. El aluminio ocupa en la serie electroquímica de metales una posición que le confiere un marcado carácter electronegativo frente a la mayoría de los metales industriales, concretamente el hierro y el cobre, por lo que es posible la corrosión en presencia de la humedad sino toman las precauciones necesarias. El aluminio es sensible a la acción de los componentes alcalinos (soscarbonato, cementos, etc.) de los derivados sulfurados en general de diversos compuestos orgánicos e inorgánicos. ALEACIONES El aluminio se utiliza principalmente en forma de aleaciones de aluminio puro combinado con otros elementos, con el fin de mejorar las propiedades mecánicas del metal, aumentando en especial la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión. SISTEMA DE ALUMIO - COBRE La adición de cobre al aluminio aumenta la colabilidad y también la resistencia de a tracción, a expensas de la ductilidad. Las aleaciones de aluminio-cobre forman, a 547 oC, un eutéctico que contiene 33% de cobre, y está integrado por la fase aluminio alfa y una fase tetragonal centrada con 52,5% de cobre: CuAl2. El aluminio retiene 4,1% de cobre en disolución solida, a 500 oC, y solamente 0,45% a 300 oC. SISTEMA ALUMINIO – SILICIO Las aleaciones de aluminio-silicio cada día se emplean mas por sus magnificas propiedades de moldeo, resistencia a la corrosión, inclusive del agua del mar y facilidad de soldadura. El aluminio-silicio forma un diagrama eutéctico, sin fases intermedias y con una pequeña solubilidad solida. El eutéctico aparece a 577 oC con 11,7% de silicio y esta formado por cristales relativamente grandes de la disolución solida rica en silicio, disperso en una matriz continua de la fase solida beta. SISTEMA ALUMINIO – ZINC El aluminio disuelve 31,6% de zinc, a 275 oC y la solubilidad desciende a un valor inferior al 10% a temperatura ambiente. Las aleaciones binarias de aluminio y zinc, en cuanto se aproximan al 20% de zinc, son frágiles en caliente, por formarse, a temperatura superior a 256 o C , el compuesto al 2Zn3, por lo que casi no se emplean. Una aleación muy usada para piezas moldeadas, en general, contienen 5,5% de zinc, 0,6% de magnesio y 0,5% de cromo. SISTEMA ALUMINIO – MAGNESIO Estas aleaciones son más ligeras que el Al, poseen buenas propiedades físicas, excelente resistencia a la corrosión y se mecanizan con facilidad. Hasta el 17,4% de Mg, la solidificación se produce con formación de una disolución solida de Mg en Al, la solubilidad solida disminuye rápidamente al descender la temperatura y se separa la fase beta, que se supone es Mg 5 Al 8, que posee propiedades de endurecimiento. El solbus pasa por los puntos: 400 oC con 12,5% Mg, 300 oC con 6,8%, y 200 oC con 3,1%. El eutéctico contiene 33% de Mg y está formado por dos disoluciones solidas: primaria y secundaria, con 34,5% de Mg de estructura hexagonal. SISTEMA ALUMNIO – HIERRO Un aspecto importante de esta serie de aleaciones es la adición controlada de hierro que se había considerado como una impureza perjudicial para el aluminio, y el empleo del titanio para el afino del tamaño del grano y para limpiar la aleación. TRATAMIENTOS TERMICOS 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 criticas, continuaran los efectos de endurecido por envejecimiento. En cuanto se sobrepasan esas dimensiones críticas, la variación de las propiedades mecánicas varían de sentido: sobre-envejecimiento. 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. Aplicaciones Industriales EL DURALUMINIO La primera aleación endurecida por envejecimiento fue el Duraluminio que es una aleación de aluminio que contiene, principalmente 4,5% de Cu. La aviación y la industria del transporte necesitan de aleaciones ligeras cuyas resistencias a tracción sean comparables a la del acero, que tengan límites de fluencia, por tracción y compresión. La primitiva aleación del duraluminio 17S (duraluminio americano), con una composición de 95% Al, 4% Cu, 0,5% Mg, 0,5% Mn. T6 – 51 Alumold 500 es un duraluminio de alta resistencia aleado al zinc, considerado como una aleación de última generación después del duraluminio tradicional 7075 y duraluminios de segunda generación como el 7010 y 7050. Gracias a su bajo peso, su excelente maquinabilidad y sus propiedades mecánicas, lo hace un material capaz de reemplazar al acero en aplicaciones que requieran un combinación adecuada de estas propiedades. Complementadas con resistencia a la corrosión y brillo como en el caso de los moldes de inyección de plásticos y placas de soporte de troqueles progresivos. APLICACIONES Las principales áreas de aplicación de Alumold 500 son: • Moldes de inyección • Termoformado y soplado de termoplásticos • Elementos estructurales de maquinaria • Placas de calentamiento • Partes de maquinaria para la industria farmacéutica (blisteadoras) • Elementos de ingeniería mecánica Propiedades Mecánicas. Propiedades Físicas MECANIZADO Por fragmentación de viruta Por electroerosión: El proceso EDM tanto de penetración como de corte por hilo ofrece buenos resultados con el Alumold 500. Este proceso es hasta 8 veces más rápido que para el acero. Penetración: Se recomienda reducir la velocidad de la maquina en el acabado que permite afinar el grano y la superficie fina Corte por hilo: Se sugieren las siguiente condiciones de mecanizado * Rectificado: e puede realizar con las siguientes condiciones: Rueda abrasiva: dime. 400x50x127 tipo 87 A 47H8V217 Velocidad:30 m/s Lubricante tipo V 915M Filtro tipo III/40 • • • • PAISES PRODUCTORES DE ALUMINIO BIBLIOGRAFIA www.world-aluminium.org/Statistics/Historic al/statistics JIMENO MORRAL – Metales y Tratamientos.
