EL ALUMINIO y SUS ALEACIONES
UNIDAD II: Sesi贸n 10
Ing. Enrique De La Cruz Sosa
PROPÓSITO DE LA SESIÓN DE CLASE
Comprender porque de la necesidad de utilizar aleaciones no ferrosas,
en
particular
aplicaciones de ingeniería.
las
del
aluminio
para
diversas
Semana 10
Unidades II y III
Se continuará con el estudio
Semana 11
de los diversos materiales de ingeniería clasificados como: ferrosos y no ferrosos.
Semanas 14 y 15 ¿Qué se conocerá? Semana 12 Principalmente… Semana 16 La composición, Las propiedades típicas, Principales aplicaciones.
Semana 16 Semana 13
MATERIALES METÁLICOS NO FERROSOS
Pesados
Ligeros
Ultraligeros
si ρ >= 5kg/dm3
si ρ < 2 – 5kg/dm3>
si ρ <= 2kg/dm3
Estaño (Sn) Cobre (Cu) Cinc (Zn) Plomo (Pb), etc.
Aluminio (Al)
Magnesio (Mg) Berilio (Be)
Titanio (Ti)
Resistencia específica Con el objeto de relacionar la resistencia de un material con su peso, se define… Resistencia = Resistencia específica Densidad Valores de resistencia específica para algunas aleaciones ferrosas y no ferrosas
Aleación Resistencia a Densidad Resistencia de … la tensión (psi) g/cm3 (lb/in3) específica (in) Aluminio
83 000
2.70 (0.097)
8.6 x 105
Cobre
150 000
8.93 (0.322)
4.7 x 105
Titanio
160 000
4.51 (0.163)
9.8 x 105
Aceros
200 000
7.87 (0.284)
7.0 x 105
… otro factor que debe tomarse en cuenta en el diseño de metales no ferrosos es su costo.
El Aluminio(Al) Metal más abundante en la Tierra y tercero
después del oxígeno y silicio. En la naturaleza nunca se le encuentra en forma libre pues forma parte de muchos silicatos (feldespatos, plagioclasas y micas) y otros compuestos que representan el 8% de la corteza de la Tierra.
MENA PRINCIPAL: El aluminio se extrae únicamente de la bauxita (roca sedimentaria de óxidos hidratados, con presencia de hierro, silicio y otros), por transformación de la alúmina mediante el proceso Bayer.
http://www.youtube.com/watch?v=hyjsxvr0vdo
El Aluminio OBTENCIÓN: La explotación de sus minerales, caso de la bauxita es típica de cielo abierto. Primero se funde la arcilla de alúmina y luego por electrolisis se separa su metal.
La Asociación Brasileña de Aluminio (ABAL) pronostica que el consumo de aluminio en Brasil crecerá aproximadamente un 8,9% anual entre 2012 y 2025.
El Aluminio OBTENCIÓN: (triturador)
(digestor)
La criolita es un fluoruro de aluminio y sodio (Na3AlF6), cuya importancia proviene de su facilidad de disolver el óxido de aluminio, Al2O3 (Tf = 2072ºC), utilizado como fundente en la obtención del aluminio metálico por electrólisis. Importante: Las grandes cantidades de este mineral utilizadas en la industria no pueden ser obtenidas de los yacimientos naturales, por esto se produce artificialmente a partir de sales de aluminio y HF(ac). Electrólisis de la alúmina
(horno rotatorio)
Ing. Enrique De La Cruz
El Aluminio OBTENCIÓN: PRODUCCIÓN DEL ALUMINIO +
C(s) + 2O2-→ CO2 + 4e-
x3
Alúmina, Al2O3, disuelto en estado fundido con la criolita (Na3AlF6) a 1000oC -
Al3+ + 3e- → Al
x4
3C(s) + 6O2- + 4Al3+ → 3CO2(g) + 4Al(s) 3C(s) + 2Al2O3(s)→ 3CO2(g) + 4Al(s)
El Aluminio PROPIEDADES:
Tapas de aluminio
Densidad = 2.70 g/cm³
Buena resistencia a la oxidación y a la
Por
su elevada conductividad eléctrica y calorífica se utiliza como conductor eléctrico y en calefacción.
Fácilmente deformable en frio, lo
cual permite el laminado en hojas muy delgadas (se le puede conformar con facilidad). Fácil de fundir y vaciar en moldes
de geometría compleja. No presenta transición de dúctil a
frágil a bajas temperaturas. Se puede reciclar utilizando sólo el
5% de la energía que se utilizó para su fabricación a partir de la alúmina. Presenta
magnético.
comportamiento
no
corrosión, resiste a los químicos y al medio ambiente ofreciendo protección contra la humedad, el aire, la luz , los olores, y los microorganismos, no comportando efectos negativos contra la salud. No es tóxico. Al no exhibir un límite de resistencia a la
fatiga verdadero, puede ser que con esfuerzos reducidos, falle debido a la fatiga Su Tf = 660ºC, es relativamente bajo, por lo
que no funciona bien a altas temperaturas Sus aleaciones tienen dureza baja, por lo
que su resistencia al desgaste es pobre. Las aleaciones pueden llegar
a ser 30 veces más resistentes que el aluminio puro.
El Aluminio USOS:
http://www.youtube.com/watch?v=sSIg9qddDZI
Se muestra latas de aluminio para la bebida en diferentes etapas de su producción. Se conforma la lata a partir de una hoja individual de una aleación. Las operaciones de producción incluyen trefilado, moldeo del domo, afinado, limpieza, decoración, y moldeo del cuello y de la pestaña
El Aluminio USOS:
Industria automovilística: fabricación de piezas fundidas (pistones, ruedas, cajas de transmisión, conjuntos de suspensión), radiadores, y estructuras y carrocerías. Coches tipo Audi A4 fabricados totalmente en aluminio. La ligereza permite la reducción del peso del vehículo de hasta un 30%. Sector ferroviario: locomotoras, trenes que aporta ahorro de energía. Sector aeroespacial, el primer avión de aluminio se fabricó en la década de 1920 y desde entonces sigue vinculado a este sector gracias a la combinación de su resistencia, ligereza y maleabilidad.
25%
Transporte
25%
Envases
15%
Construcción
15%
Aplicaciones eléctricas
20%
Otros
Ha ido reemplazando progresivamente al cobre desde la década de los 50 en las líneas de transmisión de alto voltaje (700 000 V o más) y actualmente es una de las formas más económicas de transportar electricidad, además de que puede hacerlo más eficientemente que el cobre. También está presente en las antenas para televisores y satélites.
Fabricación de latas, papel de envolver, capas intermedias de envases de cartón (tetra brick), láminas para cerrar yogures, medicamentos, etc. las latas de Al, protegen el contenido durante largos periodos ante la entrada de oxígeno y contra la luz , son muy ligeras, permiten enfriar las bebidas rápidamente, son difíciles de romper, presentan una gran comodidad de manejo y ocupan muy poco espacio. Estructuras de ventanas y puertas y en otras estructuras como cubiertas para grandes superficies y estadios Fines ornamentales y decorativos como por ejemplo Dumia, una cúpula realizada enteramente de aluminio y que mide más de cinco metros de altura y 12 de diámetro, situada en Shanghai.
El Aluminio INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS ALEANTE EN LAS ALEACIONES DE ALUMINIO
El Al puro posee una resistencia a la tracción muy baja así como una dureza escasa. En cambio, unido en aleación con otros elementos adquiere características mecánicas muy superiores. Con la excepción del aluminio puro (99,99%), prácticamente se utilizan todas las aleaciones del aluminio…
Cu
Incrementan las propiedades mecánicas pero se reduce la resistencia a la corrosión
Cr Fe Si y Mg Ti
Mn Aleaciones de aluminio con …
Aumentan la resistencia mecánica
Mg
Aumenta las propiedades mecánicas pero disminuye la resistencia a la embutición
Tras el conformado en frio, aumenta la resistencia mecánica
El Aluminio Efecto de los mecanismos de endurecimiento en el aluminio y sus aleaciones El aluminio muestra buena respuesta a los mecanismos de endurecimiento. Resistencia a la tensión (psi)
Resistencia a la cedencia (psi)
% de elongación
Relación: resistencia de cedencia de la aleación del metal puro
Aluminio puro
6 500
2 500
60
1.0
Aluminio comercial (99% puro)
13 000
5 000
45
2.0
Aluminio trabajado en frio
24 000
22 000
15
8.8
Aleación Solución sólida de aluminio Dispersión endurecida Envejecimiento por …
16 000
6 000
35
2.4
42 000
22 000
35
8.8
83 000
73 000
11
29.2
Material
Aleaciones de aluminio (no férreo)
Aleaciones para fundición procesos
Fundición en arena
Fundición con molde
Aleaciones de forja http://www.youtube.co m/watch?v=4FLWYwfr amg
Fundición en coquilla
Forjadas
Con tratamiento térmico 2XXX Cu y poco Mg 6XXX Mg y Si 7XXX Zn, Mg y Cu
Sin tratamiento térmico
1XXX Al puro con Fe y Si 3XXX Mn 1,2% 5XXX Mg 2-5%
DESIGNACIONES DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO Aleaciones para forja: ¿Es endurecible por envejecimiento? No Si No Si, si está presente el magnesio No Si Si Si
Aleaciones para fundición: ¿Es endurecible por envejecimiento? No Si Algunos No No Si Si
Aleaciones basadas en aluminio Aleaciones
Aplicaciones típicas
Al – Mg
Monturas de lentes, estructuras soldadas, tanques y equipos criogénicos. Aleación, SILUMÍN, tenaz y muy resistente a la corrosión, que no requiere de tratamiento térmico posterior. Usos en equipo para manejo de alimentos, accesorios marinos, alambres de aportación para soldadura sin fusión de metal base, etc. Como aleaciones de fundición, no necesitan tratamiento térmico posterior y se emplean para fabricar piezas automotrices, cajas de engranajes, repuestos de artefactos eléctricos, etc. Como aleaciones maleables, pueden ser maquinados y conformados. Aleación no muy resistente, de buena conformabilidad, resistente a la corrosión y de buena capacidad de soldado. Usos en utensilios de cocina, equipos de almacenamiento de alimentos y sustancias químicas, tanques para gasolina y aceite.
Al – Si
Al – Cu
Al – Mn
Aleaciones basadas en aluminio Aleación serie …
Aditivo Composición típica princiAplicaciones típicas (%peso) pal > 99 Al
Poco resistente pero dúctil y buen conductor eléctrico: líneas de suministro eléctrico, papel de aluminio.
Cu
Al + 4 Cu + Mg, Si, Mn
Endurecibles por maduración: fuselaje de aviones, piezas forjadas, largueros, mástiles, remaches.
3000
Mn
Al + 1 Mn
Resistencia moderada, dúctil, excelente resistencia a la corrosión: cubiertas y tejados, cacerolas, latas de bebidas.
5000
Mg
Al + 3 Mg 0,5 Mn
Endurecibles por trabajo en frío, soldables: recipientes a presión, estructuras de barcos.
1000
Al puro
2000
6000
7000 Aleaciones moldeo
Mg + Si Al + 0,5 Mg 0,5 Si Zn + Mg de
Aleaciones Al – Li
Resistencia moderada por maduración: secciones extruidas y anodizadas por ejemplo los marcos de ventanas.
Al + 6 Zn + Mg, Cu, Endurecibles por maduración: piezas forjadas para aviones, largueros, Mn carrocerías ligeras de vagones de ferrocarril. Al + 11 Si
Moldeo en arena y en coquilla
Al + 3 Li
Baja densidad y buena resistencia: fuselaje de aviones y largueros.
Duraluminio: Al + Bronce
Alnico: Aluminio + Níquel + Cobalto
Ventajas y desventajas en el uso de aleaciones de aluminio para carrocerĂas de automĂłvil Recordando algunas de las propiedades de las aleaciones de aluminio. Densidad Ď (Mg.m-3)
MĂłdulo de Young, E(GN.m-2)
LĂmite elĂĄstico, Ď&#x192;y (MN.m-2)
Ď
Ď
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ă&#x20AC;&#x2013;Ď&#x192; đ?&#x2019;&#x161; ă&#x20AC;&#x2014;
2,7
69
193
0,66
0,19
A favor
đ?&#x;?/đ?&#x;?
En contra
Grandes ahorros de peso en carrocerĂa como en Coste unitario mayor. motor. Se emplea gran parte de la Malas propiedades para tecnologĂa actual. embuticiĂłn profunda â&#x20AC;&#x201C; pĂŠrdida en flexibilidad de Excelente resistencia a la diseĂąo corrosiĂłn El uso del aluminio permite ahorros de peso de hasta un 40% en el peso total de un coche. El aumento del coste unitario se compensa por la disminuciĂłn en el consumo y el mayor potencial de reciclado del aluminio.
El Aluminio Designación de algunas aleaciones Aleaciones a través de colada 1XXX Hojas, chapas para litografia 2XXX Industrias aeronáutica
3XXX Latas, radiadores de edificios 4XXX Intercambiadores de calor e ingeniería 5XXX latas, automóviles, transporte
fachadas,
construcción,
6XXX Automóviles, construcción, transporte 7XXX Industria aeronáutica, radiadores 8XXX Hojas de hierro, industria aeronáutica (Li)
Aleaciones para construcción Ventanas, puertas, perfiles estructurales,
etc.
El Aluminio RECICLADO: La
utilización
del
aluminio
reciclado permite el ahorro del 95% de la energía empleada a partir de la producción del mineral primario. Puede reciclarse indefinidamente sin
perder
sus
propiedades,
pudiéndose fabricar un producto con idénticas propiedades.
Se puede reciclar el 100% de los materiales recuperados Su
recuperación
es
técnica y económicamente.
rentable
El Aluminio (Al) GENERALIZANDO…
Es el metal ligero más importante entre los metales No ferrosos siendo el más abundante en la corteza terrestre después del silicio.
Su bajo peso específico, resistencia a la corrosión y alta conductividad térmica y eléctrica le permite tener una gran gama de aplicaciones
El gran defecto que tiene es su baja resistencia a la tracción y una dureza escasa, es por ello que se le debe alear.
Los principales elementos aleantes son: Cu, Zn, Mn o Si, cuyo objetivo es mejorar la dureza y su resistencia mecánica.
Las aleaciones se caracterizan por tener baja densidad, buena conductividad eléctrica y térmica y una gran resistencia a la corrosión.
Son ventajas económicas y ecológicas que se consiguen gracias a una alta eficiencia en la producción y unos bajos costes de mantenimiento.