INDICE.
- INTRODUCCION
- METALES LIGEROS Y SUS ALEACIONES
2.1 El Aluminio
2.2 El Magnesio
2.3 El Titanio
2.4 El Berilio
- CLASIFICACIÓN Y FORMAS COMERCIALES.
3.1 Clasificación de las aleaciones de Aluminio
3.2 Clasificación de las aleaciones de Magnesio
- ESTRUCTURA METALOGRÁFICA
4.1 Estructura metalográfica del Aluminio
4.2 Estructura metalográfica del Magnesio
4.3 Estructura metalográfica del Titanio
- TRANSFORMACIONES METALÚRGICAS.
5.1 Producción del Aluminio
5.2 Producción del Magnesio
- INFLUENCIA EN SUS PROPIEDADES DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y TERMOQUÍMICOS
6.1 Recocido
6.2 Temple
6.3 Envejecimiento y maduración.
- INTRODUCCIÓN
En la actualidad el consumo de productos siderúrgicos, mezclas de Fe y C, es unas 20 veces mayor que del resto de los metales, lo cual es debido a la gran variedad de características que con los mismos es posible conseguir.
No obstante, pese a estas buenas características, para ciertos requerimientos sus cualidades no son capaces de satisfacer ciertas exigencias como son: alta resistencia contra la corrosión, buena relación resistencia/peso, buena conductividad eléctrica y térmica…etc. Estas serán precisamente las propiedades bandera de los metales ligeros.
- METALES LIGEROS Y SUS ALEACIONES
Convencionalmente se consideran metales ligeros a aquellos cuya densidad relativa es menor de 4.5. Entre ellos los de mayor importancia técnica son las aleaciones de Aluminio, Magnesio, Titanio y Berilio, si bien por su importancia comercial vamos a desarrollar con mayor profundidad las aleaciones de Al y el Mg.
2.1 El Aluminio
El Aluminio es un metal de color blanco, débilmente azulado. Su densidad es extremadamente baja, sólo superado en ligereza por el Magnesio, dentro de los metales usuales.
Es un metal muy dúctil y maleable, que se puede laminar, extrusionar y forjar en general, pero que al llegar a su punto de fusión (687ºC) se vuelve quebradizo.
Su resistencia mecánica es tanto más débil cuanto mayor es su pureza, por lo que, como se verá más adelante se suele alear con otros metales.
A pesar de su gran actividad química, es muy resistente a la corrosión debido a la capa de oxido (Alúmina) que se forma en su superficie en contacto con el aire.
Las aplicaciones del aluminio irán directamente relacionadas a sus características principales:
Por su ligereza, se emplea tanto el metal como sus aleaciones en la construcción de elementos estructurales, en la industria del automóvil, en la aeronáutica…etc.
Por su elevada conductividad eléctrica, se emplea como conductor en líneas de alta tensión. Pese a presentar mayor resistencia al paso de la corriente que el cobre, su menor densidad y menor precio le hace ser muy competitivo al cobre en esta aplicación.
Por su resistencia a la corrosión es muy utilizado en la fabricación de utensilios de cocina, decoración, carpintería metálica…etc.
Por su alto poder reflector de rayos caloríficos, encuentra aplicación en forma de polvo fino para la fabricación de pinturas.
Dentro del ciclo vital del aluminio, éste se encuentra actualmente en la etapa de madurez, es decir su producción está estabilizada desde hace un par de décadas, aunque en la industria de la automoción su uso es cada vez mayor. Esta aparente contradicción se debe a que está siendo sustituido por nuevos materiales, como los polímeros o los materiales compuestos, en aplicaciones en las que hasta ahora se había utilizado el aluminio.
2.2 El Magnesio
Su aspecto es blanco argentino, similar al del Aluminio. Como decíamos es el metal más ligero de los de uso común.
Su conductividad eléctrica y térmica es menor que la del Aluminio, pero notablemente mayor que la del acero.
Las bajas propiedades mecánicas excluye la posibilidad de utilizarlo en estado puro como material estructural, pero aleado y tratado térmicamente puede mejorar sus propiedades mecánica. El Mg forma las llamadas aleaciones ultraligeras. Estas aleaciones se destinan a la fabricación de émbolos, cárters, hélices…y en general elementos donde el bajo peso es un factor determinante para su función.
Sin embargo, su elevada tendencia a la corrosión en atmósferas marinas es el principal obstáculo para su desarrollo industrial. Cabe destacar que el Mg es extremadamente inflamable, especialmente si está pulverizado.
2.3 El Titanio
El titanio es un metal de color gris plata, muy resistente a la corrosión de numerosos agentes que atacan a la mayor parte de otros metales.
Por su densidad está situado entre las aleaciones de aluminio y los aceros inoxidables 18/8, con una relación resistencia/densidad del mismo orden que esta aleación.
Debido a estas buenas características de resistencia mecánica y peso, sus aleaciones se emplean en la construcción de aeronaves, aviones e industria aeronáutica en general.
Además, debido a su excelente resistencia a la corrosión marina sus aleaciones son usadas cada día más en equipos marinos.
2.4 El Berilio
Posee un color gris acerado, su aspecto es similar al del Silicio. Su densidad es similar a la del Aluminio.
Su principal aplicación se encuentra en la preparación de aleaciones con Cu, Al, Ni, Fe…etc, adquiriendo excelentes características mecánicas. Aún así, por ser un metal escaso y de difícil extracción su empleo está muy limitado.
- CLASIFICACIÓN Y FORMAS COMERCIALES
En este apartado vamos exponer la clasificación de cada metal y sus aleaciones en función del fin a que se dedican. Esta es la clasificación que realiza la norma UNE 38001-1 R:
3.1 Clasificación de las aleaciones de Aluminio
Aleaciones para moldeo. Debido a su elevado coeficiente de contracción y su tendencia a absorber gases, cuando se desean obtener piezas por colada directa, es necesario adicionar al Aluminio contenidos variables de elementos aleantes. En ocasiones estos contenidos llegan hasta el 14%.
Esta serie de aleaciones es denominada L-200. Por ejemplo el L-230, es una aleación de Al-Mg para moldeo.
Aleaciones para forja. En estas aleaciones, los porcentajes de elementos de aleación son menores a los anteriores. Por lo general no suelen sobrepasar el 7%. Como su nombre indica, se dedican a la fabricación de perfiles y piezas por tratamientos mecánicos como laminado, estampado, extrusionado, embutición…etc. Por tanto van a existir multitud de formas comerciales de las aleaciones de aluminio:
Así encontramos perfiles extrusionados de infinidad de formas, planchas y flejes obtenidos por laminación, formas huecas por embutición, alambres por trefilado…etc. Las dimensiones de muchos de ellos se encuentran normalizadas aunque no todos.
Su denominación es L-300. Por ejemplo la L-330 es una aleación de Al-Mg destinada a ser conformada por forja.
Aleaciones obtenidas por pulvimetalurgia. Debido a la dificultad del aluminio para formar aleaciones, en muchas ocasiones se va a combinar en forma de polvos. Mediante presión y temperatura por debajo de fusión se producirán piezas por pulvimetalurgia. Serie L-400. Aleaciones ligeras de Al de alta fusión.
3.2 Clasificación de las aleaciones de Magnesio
Aleaciones para moldeo. Esta serie de aleaciones son nombradas por la norma anterior como L-500. Se distinguen dos grupos:
§ Bajo el nombre de Fumagal, la aleación de Mg-Al se utiliza para moldeo en arena y moldeo por inyección.
§ Fumagzinzir, formada por Mg-Zn-Zr, es empleada para el moldeo de piezas de gran resistencia mecánica, con buenas características a la fatiga y al choque. Generalmente por moldeo en arena.
Aleaciones para forja. Donde encontramos tres subgrupos principales, que reciben también su nombre comercial en función de sus elementos aleantes:
§ Magal (Mg-Al), Tienen el inconveniente de no ser soldables.
§ Magzinzir (Mg-Al-Zr), posee elevada resistencia y buena ductilidad.
§ Magmanz (Mg-Mn), muy maleable, facil de extruir y fácilmente soldable.
Mediante laminación y extrusión se obtienen chapas, tubos, bandas y perfiles de muy diferentes secciones y dimensiones. Son las designadas como series L-6xx
- ESTRUCTURA METALOGRÁFICA
4.1 Estructura metalográfica del Aluminio
El Aluminio puro cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras, siendo muy dúctil y maleable. Debido a que el Al, por sí sólo es mecánicamente débil, se alea con gran cantidad de elementos (Cd, Cu, Zn…) que le comunican mejores características resistentes. En general, estos elementos son muy poco solubles en el Al en estado sólido, formando constituyentes dispares, que pueden ser:
§ Fases intermedias de Al con elementos de aleación: Al2Cu, FeAl3.
§ Fases intermedias dos elementos de aleación: Mg2Si, MgZn.
§ Fases intermedias formadas por compuestos ternarios: AlFeSi.
§ Elementos tales como el Si, el cual no se disuelve en el Al.
Debido a la gran cantidad de compuestos intermetálicos, el diagrama de equilibrio no suministra información suficiente sobre los cambios de fase y reacciones. Se tendrá que hacer uso de los diagramas de Tiempo-Temperatura-Transformación (TTT)
4.2 Estructura metalográfica del Magnesio
En estado puro cristaliza en el sistema hexagonal compacto siendo maleable pero poco dúctil. Como es mencionado, generalmente se encuentra en forma de aleación con Al, Zn o Mn.
Por ser el Mg un elemento bivalente, muy electro-positivo tiene poca tendencia a formar SS con estos elementos, pero sí a formar compuestos intermetálicos de valencia normal (MgZn, Mg2Mn) o fases intermedias cuya solubilidad aumenta con la Tª. Factor este clave para su endurecimiento por precipitación.
4.3 Estructura metalográfica del Titanio
El Ti se presenta en dos estados alotrópicos, siendo la forma estable a bajas Tªs la hexagonal compacta, Tiα y a Tªs superiores a 885ºC cúbica centrada Ti β.
El Ti tiene gran facilidad para disolver por sustitución o inserción otros elementos: la que tiene para formar compuestos con enlaces iónicos o covalentes, lo que supone una gran facilidad para formar aleaciones.
- TRANSFORMACIONES METALURGICAS
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forma general las transformaciones metalúrgicas de las que se obtendrán las aleaciones ligeras comprenden los procesos de:
1. Extracción Refinado o concentrado Fusión Afinado
Centrándonos en los procesos de obtención del Al y Mg encontramos:
5.1 Producción del Aluminio
El Aluminio es el tercer elemento atómico en peso en la tierra. Se encuentra contenido en gran porcentaje en el mineral Bauxita, del cual se extrae. Este proceso se realiza en dos fases:
Þ 1ª FASE. La alúmina, O3Al2, se separa de la galga de bauxita mediante el calentamiento a alta Tª y la adición de sosa cáustica según el proceso Bayer.
Þ 2ª FASE. La elevada reactividad del aluminio impide extraerlo de la alúmina mediante reducción, siendo necesaria la electrólisis del óxido, lo que exige a su vez que éste se encuentre en estado líquido. No obstante, la alúmina tiene un punto de fusión de 2000 °C, excesivamente alta para acometer el proceso de forma económica por lo que se mezcla en criolita o ciolita fundida en hornos, lo que disminuye la temperatura hasta los 1000°C. En este estado las corrientes pueden disociar el Al y O2.
5.2 Producción del Magnesio
El magnesio es un elemento muy abundante en la corteza terrestre y en el agua de mar. Comercialmente se obtiene principalmente de los minerales magnesia y dolomía o de conchas marinas. Tras el triturado y afinado de estos se adiciona HCl obteniendo cloruro de magnesio.
Mediante electrolisis el Magnesio puro es separado del cloro quedando flotando por su menor densidad sobre las tinas de donde es recogido para su posterior fusión en lingotes.
- INFLUENCIA EN SUS PROPIEDADES DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y TERMOQUÍMICOS.
Las aleaciones ligeras son susceptibles de cambiar sus propiedades gracias a calentamientos y enfriamientos que modifiquen su estructura cristalina, es decir, por tratamientos térmicos, así se realiza:
6.1 Recocido. En todas las aleaciones ligeras este tratamiento es el que debe preceder a cualquier otro. Con él se trata de conseguir los constituyentes más estables a Tª ambiente, la estructura más blanda, eliminar tensiones internas o la posible acritud de un trabajo en frío previo. Por ejemplo, sería imposible obtener papel de aluminio (10μm) sin someterlo a recocidos intermedios contra acritud.
6.2 Temple. Pese a su mismo nombre difiere totalmente del temple de los aceros. Se realiza a materiales como el aluminio y magnesio que no pueden endurecer por aleación. El proceso consta de varias fases:
1. Calentamiento del material. Para conseguir la completa solubilidad de los constituyentes endurecedores en el metal base, es necesario calentar las piezas por encima de la Tª que nos da la máxima solubilidad de esos constituyentes, evitando siempre fusiones locales. Puesto que se necesita un control muy rigurosos de la Tª el calentamiento se tiene que efectuar en hornos eléctricos o en baños de sales.
2. Tiempo de calentamiento suficiente para que los constituyentes endurecedores formen una solución homogénea.
3. Enfriamiento que variará como es lógico con las dimensiones de los piezas y el tipo de aleación si bien es más suave que en los aceros. Con las velocidades de temple que se emplean en las aleaciones ligeras no son de temer deformaciones considerables ni aparición de grietas.
6.3 Maduración, envejecimiento. Puede considerarse un tratamiento complementario al anterior. El estado de SS sobresaturada, obtenido en el temple se caracteriza por ser de máxima plasticidad y presentar una estructura inestable a partir de la cual tiende a precipitarse los constituyentes endurecedores, que impedirán el avance de las dislocaciones y por tanto aumentarán la dureza y resistencia mecánica del metal.
Esta precipitación puede tener lugar a Tª ambiente, después de transcurrido cierto tiempo, denominándose entonces maduración natural o envejecimiento o puede ser forzado gracias a un calentamiento a Tº adecuada: Maduración artificial.
Al tratamiento de temple y precipitación de los constituyentes endurecedores se le conoce con el nombre de BONIFICACIÓN.
6.4 Revenido de ablandamiento
Las aleaciones ligeras que no son susceptibles de maduración y han sufrido deformaciones en frío, se pueden ablandar si necesidad de llegar al recocido mediante un revenido a Tª comprendidas entre los 175-225ºC.
6.4 Tratamientos superficiales
El titanio y sus aleaciones, al igual que los aceros, son susceptibles de endurecimiento superficial por cementación y nitruración, pues asimilan perfectamente el C y el N para endurecer superficialmente.
Por otra parte las aleaciones de Be y Cu sometidas a tratamientos de cementación son capaces de obtenerse durezas hasta 1500 unidades Vickers, que puede considerarse como una de las mayores obtenidas en Metalurgia.
- CONCLUSIÓN
“Hemos expuesto como los metales no férreos, y más concretamente las aleaciones ligeras (principalmente aluminios y magnesios) se caracterizan por poseer cualidades que en los aceros y fundiciones son deficitarias, tales como la conductividad eléctrica y térmica, la resistencia a la corrosión y sobretodo la ligereza.
Además hemos visto que dichas aleaciones son susceptibles de ser tratadas térmicamente mejorando notablemente sus características mecánicas. “