Aluminio y sus aleaciones

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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, Ďƒy (MN.m-2)

Ď

Ď

đ?‘Źđ?&#x;?/đ?&#x;‘

ă€–Ďƒ đ?’š 〗

2,7

69

193

0,66

0,19

A favor

đ?&#x;?/đ?&#x;?

En contra

Grandes ahorros de peso en carrocería como en Coste unitario mayor. motor. Se emplea gran parte de la Malas propiedades para tecnología actual. embutición profunda – pÊrdida en flexibilidad de Excelente resistencia a la diseùo corrosión 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 disminución 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.


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