Aluminio, metal del siglo XX

Transcripción

1 21 Aluminio

2 Aluminio, metal del siglo XX La historia del aluminio comienza en el momento de la formación del planeta que habitamos. Es el metal más abundante de la corteza terrestre; nos rodea, pero no lo vemos, ya que es a diferencia de otros (muy pocos) metales no existe como tal en la naturaleza. Sin embargo ha estado continuamente cerca del hombre como constituyente fundamental del suelo, de las arcillas y de las rocas. Lo mismo cabe para el Si. Cerca del 8% de la corteza terrestre es aluminio. Luego del oxígeno y el silicio es el elemento más abundante. Fue necesario esperar hasta la existencia de tecnologías modernas y grandes disponibilidades de energía, para aislarlo (es decir, reducirlo) y así transformarse en el último metal de uso masivo utilizado por el hombre. Abundancia de elementos en la corteza terrestre Orden Elemento % m/m % átomos % volumen 1 O 46,60 62,55 91,97 2 Si 27,72 21,22 0,80 3 Al 8,13 6,47 0,77 4 Fe 5,00 1,92 0,68 5 Ca 3,63 1,94 1,48 6 Na 2,83 2,64 1,60 7 K 2,59 1,42 2,14 8 Mg 2,09 1,84 0,56 9 Ti 0,44 0,20 0,02 10 H 0,14 3,00 <0,01 El resto de los 80 elementos, representa al 0,83% m/m Mari, E.; Los Materiales Cerámicos; Editorial Alsina; 1998

3 Metales en el Mercado Mundial Comparación de Precios USD/KG USD/ton Costo relativo Steel Coil (hot rolled) 0, Alum Alloy 1, Aluminum 1, Zinc 2, SS304 (hot rolled) 2, Lead 2, Copper 6, Tin 14, Nickel 16, Gold

4 Evolución de la Ingeniería en Materiales Principales Características del Al Baja densidad Elevada resistencia a la corrosión (metal autoprotegido: 1-10nm) Elevada conductividad eléctrica y térmica (cond term = 4,5 acero) Estructura cristalina: Cúbica Centrada de Caras (a=0,404nm) uso en prop criogénicas Elevada ductilidad (en gral) - Baja tensión de fluencia (en gral) Muy buena formabilidad (en frío y en caliente) Elevadas propiedades específicas Posibilidad de obtener una amplia gama de acabados superficiales (anodizado) Propiedades antichispa Elevada rigidez específica (comparable a la de los aceros)

5 Principales Características del Al Bajo módulo elástico (E = 70 GPa = 1/3 aceros) Baja resistencia a la fatiga Baja resistencia a elevadas temperaturas Baja resistencia al desgaste (baja dureza) - Es no magnético Obtención del Aluminio La metalurgia del aluminio comprende dos fases: 1) Obtención de la alúmina (Al2O3) a partir del mineral (Bauxita) 2) Obtención del aluminio a partir de la alúmina Bauxita 30%-50% es Al2O3 (óxidos de Al, Fe, Si, Ti, H2O) Alúmina (Al2O3) Aluminio

6 1) Obtención de la alúmina a partir de la Bauxita (método Bayer) Aluminato sódico (l) a 2 O, Al 2 O a 2 O.Al 2 O +4H 2 O 2Al(OH) aoh Damandjodi, India FA GO ROSA Orissa, India

7 2) Obtención del aluminio a partir de la alúmina El Al se obtiene por electrólisis de la alúmina disuelta en un baño de criolita fundida (T 1000 C) Criolita = 3NaF.AlF3 o fluoruro de calcio Criolita: Fundente + electrolito De esta forma se obtiene el aluminio de primera fusión Pureza: 99.7% Principales contaminantes: Fe, Si, Al2O3, carburos, fluoruros, Cu, Zn, Sn, Na, B, Ti Puede obtenerse aluminio de mayor pureza mediante un afino electrolítico (99,99%) 220 ka 1,5 2 m 4 5 m

8 Aluminio de segunda fusión Proviene del reciclado de chatarras. Al producir aluminio a partir de chatarra existe un ahorro del 95% de la energía si se compara con la producción a partir del mineral. En el proceso de reciclado no cambian las características del material ya que se obtiene un producto con las mismas propiedades. El aluminio puede reciclarse indefinidamente y sin disminuir la calidad del mismo. Las aleaciones más usadas para las latas son: AA3003, AA3004, AA3104, AA3105. Propiedades mecánicas del Aluminio y otros materiales Material Tensión de fluencia Tensión máxima Densidad (MPa) (MPa) (g/cm³) Acero estructural ASTM A36 steel Acero, API 5L X65[3] Aceros de alta resistencia ASTM A Acero inoxidable AISI Laminado en frio Fundición de Fe 4.5% C, ASTM A Aleaciones de Ti (6% Al, 4% V) Aleaciones de Al 2014-T % Cu Cuproniquel 10% Ni, 1.6% Fe, 1% Mn, resto Cu Latones Cabello Humano 380 Tela de araña 1000

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10 Curvas de tensión deformación para algunos metales Clasificación de la aleaciones de Al Aleaciones para productos trabajados (wrought alloys) La forma de los productos se logra mediante: colado en lingote (convencional, semicontinua o continua) + conformado por deformación plástica en caliente y eventualmente en frío. Ejemplos: chapas, flejes, tubos, alambrones, perfiles, barras, etc. Pueden ser termotratables o no. Aleaciones para piezas coladas (cast alloys) Estas aleaciones serán usadas para fabricar piezas mediante los diferentes métodos de colado. Es mandatorio la obtención de una buena colabilidad, la que normalmente está asociada a la composición química. En general se trata de aleaciones con mayor cantidad de aleantes que las aleaciones para trabajado. Pueden ser termotratables o no. Mecanismos de endurecimiento para las aleaciones termotratables: Tratamiento de Bonificado Solubilización inicial + Temple + precipitación (envejecimiento). Mecanismos de endurecimiento para las aleaciones no termotratables: Endurecimiento por deformación plástica en frío Endurecimiento por solución sólida Resistencia mecánica / Ductilidad / Resistencia a la corrosión / Formabilidad / Soldabilidad / Respuesta al anodizado

11 Clasificación de las aleaciones de Aluminio Envejecimiento natural Para trabajado Termotratables No Termotratables Envejecimiento artificial Aleaciones de Aluminio Para colado Termotratables Envejecimiento natural Envejecimiento artificial No Termotratables omenclatura de las aleaciones de Aluminio Esta es la nomenclatura correspondiente a la AluminumAssociation (AA). Consta de cuatro dígitos. 1º dígito: tienen que ver con los aleantes principales de la aleación. 2º dígito: Si es cero se trata de la primera versión de la aleación, y si es mayor indica sucesivas modificaciones de la aleación base, normalmente tendientes a disminuir las impurezas en pos de mejorar alguna propiedad. 3º y 4 dígitos: Solo poseen significado para la serie Indican las décimas y centésimas que le siguen al 99% de pureza. Por ejemplo, la aleación AA1350 tiene una pureza mínima de 99,50% de Al.

12 Aleaciones de Al termotratables Estas aleaciones adquieren una mayor resistencia mecánica mediante el siguiente TT: 1) Solubilización (a T < Te): Puede ser de algunos minutos hasta horas 2) Temple (por ejemplo, en agua) 3) Envejecimiento: atural (a T ambiente) Artificial (a T > 50ºC) T: ºC t: 3 24 horas La pieza puede someterse a un proceso de conformado luego del temple y antes del envejecimiento. Ejemplo: remaches de aviones, cuyo envejecimiento es natural.

13 Etapas del tratamiento térmico de una aleación de Al 4%Cu Microestructuras posibles para una aleación de Al 4%Cu

14 Diferencia entre un precipitado coherente y un precipitado no coherente Precipitado Incoherente Precipitado Coherente

15 AA 6061 (artificial) AA 2014 (artificial) Envejecimiento natural Curvas típicas de envejecimiento artificial y natural omenclatura de los tratamientos térmicos para aleaciones de Al La nomenclatura corresponde a la Aluminum Association. La letra T designa los tratamientos que involucran: Temple de solución Etapa de deformación en frío (puede no estar) Envejecimiento (natural o artificial) En la tabla que sigue se muestran sólo los más importantes.

16 Serie 1000: Aluminios de alta pureza Contienen un mínimo de 99% de Al. Principales impurezas: Fe (0,1 a 0,4%) y Si (<0,1%). Ambos provenientes del mineral de Al. Microestructura: matriz de Al con algunas partículas de segundas fases (Al 6 Fe, Al 3 Fe, Al 12 FeSi). Es el grupo de mayor resistencia a la corrosión, mayor formabilidad, mayor soldabilidad, y mayor conductividad térmica y eléctrica. Poseen muy baja resistencia mecánica y mala maquinabilidad. Ambas cosas se mejoran mediante la deformación en frío, pero aún así la resistencia máxima alcanzada es menor que para el resto de los grupos. En estado recocido: Rp 0,2 = 30 MPa y resistencia a la tracción 80 MPa. En estado deformado en frío: Rp 0,2 = 70 MPa y resistencia a la tracción 200 MPa. Aplicaciones Aplicaciones donde se necesite la máxima resistencia a la corrosión y sea aceptable la baja resistencia mecánica. (Por ej: tanques de almacenamiento en la industria química). Conductores eléctricos de baja resistencia mecánica (aleación AA 1350). En la industria de envases (foil de Al, aleación AA 1145). En la fabricación de capacitores y reflectores. Elementos disipadores de calor. Aleaciones de la serie 2000 Aleante ppal: Cu. También contiene Mg y Mn así como otros elementos en menores proporciones. Las aleaciones comúnmente denominadas duraluminio pertenecen a este grupo. Presentan una resistencia mecánica intermedia entre las de la serie 7000 (las de máxima resistencia) y las de la serie 6000 (las de menor resistencia mecánica dentro de las aleaciones termotratables). En general: Rp0,2 = 400 MPa (puede llegar hasta 500 MPa). La deformación en frío previa al envejecimiento es muy efectiva para aumentar la resistencia mecánica, y, en el caso de las aleaciones que son envejecibles en forma natural, las propiedades alcanzan un valor estable en un tiempo razonable. En estas aleaciones es el Mg el que incrementa la tendencia al envejecimiento natural (este fenómeno no se da en aleaciones Al-Cu). Mala soldabilidad. Sus principales problemas son la susceptibilidad a la fisuración en caliente y la necesidad de aplicar un TTPS para obtener la resistencia mecánica adecuada. Las aleaciones de mayor resistencia dentro de este grupo (AA 2024 y 2014) se usan en estructuras aeronáuticas unidas mediante bulones o remaches evitando la soldadura. Aplicaciones: Industria aeronáutica: la AA 2024 y sus sucesoras 2124, 2224 y 2324 son usadas como productos usualmente cladeados para la fabricación de los fuselajes unidos mediante remaches o bulones) Camiones y tractores, estructuras de edificios, chapas para carrocerías de automóviles, pistones forjados de motores de combustión, remaches para aviones, y piezas que requieran alta estabilidad dimensional.

17 6063-T6 Aberturas Microestructuras más comunes en aleaciones de aluminio comerciales 200X, 1XX.X. Reactivo: 0.5%HF 400X, AA7050-T6. Reactivo: 0.5%HF

18 Microestructuras para diferentes aleaciones Al - Si Algunos reactivos empleados para realizar metalografías de aleaciones de aluminio

19 Cambios microestructurales de una aleación de aluminio termotratable luego de una soldadura Primarios Productos lingotes barrotes para extrusión alambrón placas Elaborados laminados: planchas, chapas, foils (hasta 6,3 µm) extruidos: barras, perfiles, capintería trefilados: alambres colados forjados

20 Pueden ser: Autoportantes o con un núcleo de alambres de acero. Por ejemplo: AA6101 T65 Conductores de líneas aéreas de alta tensión PROCESO DE FABRICACIÓ Fusión, colada continua, laminación termomecánica Trefilación Envejecimiento Cableado Con núcleo de acero Autoportante

21 Espuma de Aluminio Aplicaciones: Llantas de Al-Mg

22 Aluminio Honeycomb Material: AA3003 o AA5052 Preguntas 1. Liste los siguientes materiales según su conductividad eléctrica en unidades IACS: Al, Fe, Mg, Au, Ag. 2. Siendo que los óxidos de aluminio son tan abundantes en la superficie de la Tierra, por qué las aleaciones de aluminio se comenzaron a utilizar fuertemente recién en el siglo XX? 3. En qué tipo de industrias es importante que el material tenga propiedades antichispa? 4. Liste los siguientes materiales según su resistencia específica: ASTM A 36, ASTM A514, aluminio 2024-T6, titanio 6%Al-4%V 5. Cuáles son los mecanismos de endurecimiento de las aleaciones de aluminio de la familia: 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000 y Qué familias de aleaciones de aluminio son endurecidas por deformación plástica en frío?

23 Preguntas 7. Qué espera que suceda con la dureza una aleación 1100-H18? 8. Por qué los aluminios de la serie 1000 tienen mala maquinabilidad? 9. Cual es el objeto del templado en las aleaciones de aluminio tratables térmicamente? 10. Qué diferencia hay entre el envejecimiento artificial y natural? 11. Por qué las aleaciones de aluminio se considera que tienen buena resistencia a la corrosión? 12. Qué es el anodizado en una aleación de aluminio? 13. Por qué las aleaciones de aluminio para piezas coladas tienen mayor composición química? 14. Por qué los aviones suelen ser remachados?