Propiedades Mecnico-Qumicasdel Aluminiondice de contenidos:

1- Introduccin

1.1- Generalidades

2- Aleaciones de aluminio

2.1- Generalidades

2.2- Designacin

2.3- Series de aleaciones de aluminio

3- Propiedades qumicas

3.1- Informacin atmica

3.2- Otras propiedades (densidad, punto de fusin...)

4- Propiedades mecnicas

4.1- Resistencia mecnica

4.2- Mdulo de elasticidad longitudinal o Mdulo de Young

4.3- Mdulo de elasticidad transversal

4.4- Coeficiente de Poisson

4.5- Dureza Brinell

5- Tratamientos de proteccin superficial

5.1- Resistencia a la corrosin

5.2- Anodizado

5.3- Pintado (lacado)

ANEXOS: TABLAS DE ACEROS INOXIDABLES Y ALUMINIO

>> Aceros inoxidables ferrticos, martensticos y endurecidos por precipitacin

>> Aceros inoxidables austeno-ferrticos

>> Aceros inoxidables austenticos

>> Aceros refractarios ferrticos y austenticos

>> Aluminio sin alear

>> Aluminio con manganeso

>> Aluminio con magnesio

>> Aluminio con cobre

>> Aluminio con magnesio-silicio

>> Aluminio con zinc

>> Descarga PDF: Aceros inoxidables y Aluminio - Tabla Resumen

DESARROLLO DEL CONTENIDO

1- Introduccin1.1- GeneralidadesEl aluminio (Al) es el elemento metlico ms abundante que est presente en la corteza terrestre y, dentro del grupo de los metales no frreos, es el material ms ampliamente utilizado tanto en la industria como en otras muchas aplicaciones de la vida cotidiana.PROGRAMA DE COLABORACINColabora en el sostenimiento de esta WEB

Su ligereza (2,70 g/cm3), su buen comportamiento en cuanto a resistencia mecnica de muchas de sus aleaciones, su alta conductividad trmica y elctrica, su durabilidad (el aluminio es estable al aire) y resistencia a la corrosin (con un correcto tratamiento superficial es resistente tanto al agua de mar, como a muchas soluciones acuosas y otros agentes qumicos), hacen de este material ideal para innumerables soluciones, tanto estructurales, como decorativas o de otra ndole.En otro orden de cosas, una caracterstica que est tomando pujanza en nuestros das es la buena disponibilidad al reciclaje que presenta el aluminio una vez finalizado su vida til.Efectivamente, el empleo de material reciclado en las factoras para la produccin de nuevas aleaciones de aluminio, permiten reducir enormemente la energa necesaria (hasta un 90%) que si la comparamos con la energa que hara falta para transformar para su uso el material de aluminio extrado directamente de la naturaleza.Se recomienda asimismo, consultar el anexo de tablas que se incluye en este tutorial con la designacin, composicin qumica, propiedades mecnicas y principales aplicaciones de las distintas aleaciones de aluminio existentes en el mercado.2- Aleaciones de aluminio2.1- GeneralidadesEl aluminio puro prcticamente no tiene aplicacin, dado que se trata de un material blando y de poca resistencia mecnica. Sin embargo, aleados con otros elementos permite aumentar su resistencia y adquirir otras cualidades, que varan segn la naturaleza de los aleantes utilizados.Los elementos ms utilizados para formar aleaciones con el aluminio son el Cobre (Cu), Silicio (si), Magnesio (Mg), Zinc (Zn) y Manganeso (Mn). En menor medida, usados como aditivos, o que pueden estar presente como impurezas en las aleaciones, estn el Hierro (Fe), Cromo (Cr) y Titanio (Ti). Para la obtencin de otras aleaciones especiales se suele adicionar Nquel (Ni), Cobalto (Co), Plata (Ag), Litio (Li), Vanadio (V), Circonio (Zr), Estao (Sn), Plomo (Pb), Cadmio (Cd) y Bismuto (Bi).

2.2- DesignacinLas aleaciones de aluminio se designan con un nmero de 4 dgitos (YXXX) de acuerdo con el sistema adoptado por la Aluminum Association. El primer dgito (Y) indica el tipo de aleacin de acuerdo con el elemento aleante principal, segn la tabla siguiente:Componente PrincipalNmero Grupo de Aleacin

Aluminio sin alear 99%1

Cu2

Mn3

Si4

Mg5

Mg, Si6

Zn7

Otros8

Tabla 1. Nmero de grupos de las aleaciones de aluminioLos dems dgitos que designan la serie indican la aleacin especfica de aluminio o la pureza de ste.Junto con la designacin base de 4 nmeros, es comn utilizar adems letras y nmeros adicionales para una especificacin ms completa, segn el siguiente esquema:PROGRAMA DE COLABORACINColabora en el sostenimiento de esta WEB

- La letraOindica que la pieza ha sido sometida a recocido ya sea de forja como de fundicin, de acuerdo a las siguientes variantes: O1:Recocido a elevada temperatura y enfriamiento lento. O2:Sometido a tratamiento termomecnico. O3:Homogeneizado. Esta designacin se aplica a los alambrones y a las bandas de colada continua que son sometidos a un tratamiento de difusin a alta temperatura.- La letraHseguida por uno, dos o tres dgitos designa el grado de trabajo en fro. Indica el estado de acritud y se aplica a materiales a los que se ha realizado un endurecimiento por deformacin: H1:Endurecido por deformacin hasta obtener el nivel deseado y sin tratamiento posterior. H2:Endurecido en exceso por deformacin y recocido parcial para recuperar suavidad y sin perder ductilidad. H3:Acritud y estabilizado. H4:Acritud y lacado o pintado. Son aleaciones endurecidas en fro y que pueden sufrir un cierto recocido en el tratamiento de curado de la capa de pintura o lacada.- La letraTseguida por uno, dos o tres dgitos sirve para indicar que la aleacin ha sido endurecida por tratamiento trmico con o sin endurecimiento por deformacin posterior. Las designaciones de W y T slo se aplican a aleaciones de aluminio ya sean de forja o de fundicin que sean termotratables: T1:Enfriado desde un proceso de fabricacin realizado a una elevada temperatura y envejecido de forma natural. T2:Enfriado desde un proceso de fabricacin realizado a una alta temperatura, trabajado en fro y envejecido de forma natural. T3:Solucin tratada trmicamente, trabajada en fro y envejecida hasta alcanzar una condicin estable. T4:Solucin tratada trmicamente y envejecida hasta alcanzar una condicin estable. Es un tratamiento similar a T3 pero sin el trabajo en fro. T5:Enfriado desde un proceso de fabricacin a alta temperatura y envejecida artificialmente. T6:Solucin tratada trmicamente y envejecida artificialmente. Son designados de esta forma los productos que despus de un proceso de conformado a alta temperatura (moldeo o extrusin) no son endurecidos en fro, sino que sufren un envejecimiento artificial. T7:Solucin tratada trmicamente y envejecida para su completa estabilizacin. T8:Trmicamente tratada por disolucin, trabajada en fro y envejecida artificialmente. T9:Solucin tratada trmicamente, envejecida artificialmente y trabajada en fro. T10:Enfriado desde un proceso de fabricacin realizado a una elevada temperatura, trabajado en fro y envejecido artificialmente hasta una condicin sustancialmente estable.- La letraFindica que se trata de una aleacin en estado bruto. Es el material tal como sale del proceso de fabricacin.- Y por ltimo, la letraWsirve para indicar que se trata de una solucin tratada trmicamente. Se aplica a materiales que despus de recibir un tratamiento trmico quedan con una estructura inestable y sufren envejecimiento natural.2.3- Series de aleaciones de aluminioLas aleaciones de aluminio se dividen en dos grandes grupos, que son, forja y fundicin. Esta divisin se corresponde con el tipo de proceso de conformado a que pueden ser sometidas las aleaciones de aluminio.

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Dentro del grupo de las aleaciones de aluminio de forja existe otra divisin en otros dos subgrupos, las aleaciones tratables trmicamente y las no tratables trmicamente. Las aleaciones no tratables trmicamente slo pueden aumentar sus resistencia si son trabajadas en fro.Dentro de las aleaciones de aluminio forjado sin tratamiento trmico, los grupos o series principales son los siguientes, segn la norma AISI-SAE: Aleaciones 1xxx: Son aleaciones de aluminio tcnicamente puro, al 99,9%, siendo sus principales impurezas el hierro y el silicio como elemento aleante. Se utilizan principalmente para utensilios de cocina, lmina y fleje. Aleaciones 3xxx: El elemento aleante principal de este grupo es el manganeso (Mn), el cual tiene como objetivo reforzar al aluminio. Presentan buena trabajabilidad, y es utilizada este tipo de aleaciones en utensilios de cocina y envases. Aleaciones 5xxx: En este grupo de aleaciones es el magnesio (Mg) el principal elemento de aleacin. Utilizado en utensilios de cocina, construccin de camiones y aplicaciones marinas.Dentro de las aleaciones de aluminio forjado que son tratables trmicamente, las series principales son las siguientes: Aleaciones 2xxx: El principal aleante de este grupo de aleaciones es el cobre (Cu), Esta aleacin se utiliza especialmente para la fabricacin de estructuras de aviones. Aleaciones 6xxx: Los principales elementos aleantes de este grupo son magnesio y silicio. Es utilizada para perfiles y estructuras en general. Aleaciones 7xxx: Los principales aleantes de este grupo de aleaciones son zinc, magnesio y cobre. Se utiliza para fabricar estructuras de aviones.En esta ultima divisin, se encuentran las aleaciones de aluminio con mayores resistencias mecnicas: las de las series 2000 y 7000. Por otro lado, son las aleaciones de aluminio de las series 6000 y 7000 las ms utilizadas por su amplia gama de aplicaciones.Cada aleacin tiene una composicin qumica y un comportamiento mecnico diferente, adems de unas aplicaciones especficas. Se incluye los siguientes enlaces de una casa comercial para obtener la ficha tcnica de distintas aleaciones de aluminio para su consulta:

1050

1200

2014

2014A

2024

3003

5083

6005A

6060

6061

6063

6063A

6082

7020

7075

3- Propiedades qumicas3.1- Informacin atmica Nombre: aluminio Smbolo: Al Nmero atmico: 13 Grupo del sistema peridico: Grupo 13

Figura 1. Tabla peridica de los elementos Valencia: 3 Estado de oxidacin: +3 Electronegatividad: 1,5 Radio atmico: 1,43 Radio covalente: 1,18 Radio inico: 0,50 Estructura cristalina: cbica centrada en las caras (CCC), con lados de longitud 4,0495 Configuracin electrnica: 1s22s22p63s23p1, o bien, [Ne] 3s2p1 Primer potencial de ionizacin: 6,00 eV Masa atmica: 26,9815 g/mol.3.2- Otras propiedades (densidad, punto de fusin...)

.

Densidad: 2,70 g/cm3a 20 C (1,56 oz/in3a 68 F) Punto de fusin: 660 C (933 K) Punto de ebullicin: 2467 C Calor especfico: 0,92 J/g K (0,22 cal/ g C) Calor latente de fusin: 395103J/kg Calor latente de ebullicin: 9220103J/kg Conductividad elctrica: 37,8106S/m (siemens por metro) Conductividad trmica: 209-230 W/m K Coeficiente de dilatacin lineal: 2,410-5C-1

4- Propiedades mecnicas4.1- Resistencia mecnicaLas caractersticas mecnicas del aluminio varan considerablemente dependiendo del tipo de aleacin que se est considerando.En la siguiente tabla se muestran los valores de la carga de rotura (N/mm2), el lmite elstico (N/mm2), el alargamiento en la rotura (en %) y la dureza Brinell para las aleaciones de aluminio ms comunes:

Tabla 2. Carga de rotura, lmite elstico, alargamiento y dureza de las aleaciones de aluminioEn la siguiente figura ilustrativa se muestra cmo vara el lmite elstico, que es la tensin para la cual se alcanza una deformacin del 0,2% en la pieza ensayada segn el ensayo de traccin. Los resultados se muestran para las diferentes aleaciones de aluminio:

Figura 2. Lmite elstico (N/mm2) de las aleaciones de aluminioEn esta otra figura se muestra la variacin de la carga de rotura en el ensayo de traccin para cada tipo de aleacin:

Figura 3. Carga de rotura (N/mm2) de las aleaciones de aluminioPor otro lado, la resistencia a cizallamiento es un valor importante a tener en cuenta para calcular la fuerza necesaria para el corte, as como para determinadas construcciones. No existen valores normalizados a este respecto, pero generalmente es un valor que est entre el 55 y 80 % de la resistencia a la traccin.Por ltimo, en la siguiente tabla se muestran los valores del alargamiento de la pieza que se alcanza en el ensayo de traccin, justo antes de producirse la rotura de la pieza:

Figura 4. Alargamiento en el ensayo de traccin para las aleaciones de aluminio4.2- Mdulo de elasticidad longitudinal o Mdulo de YoungEl mdulo de elasticidad longitudinal o mdulo de Young (E) relaciona la tensin aplicada a una pieza segn una direccin con la deformacin originada en esa misma direccin, y siempre considerando un comportamiento elstico en la pieza.Para las aleaciones de aluminio, el mdulo de elasticidad longitudinal,E, tiene el siguiente valor:E= 70.000MPa (70.000N/mm2)4.3- Mdulo de elasticidad transversalEl mdulo de elasticidad transversal, mdulo de cortante o tambin llamado mdulo de cizalla,G, para la mayora de los materiales, y en concreto para los materiales istropos, guarda una relacin fija con el mdulo de elasticidad longitudinal (E) y el coeficiente de Poisson (), segn la siguiente expresin:G = E

2x( 1 + )

En la siguiente tabla se indica los valores para el Mdulo de elasticidad transversal,G, para distintos materiales, adems de para el aluminio:MaterialG(MPa)

Acero81.000

Aluminio26.300

Bronce41.000

Cobre42.500

Fundicin Gris (4.5 %C)41.000

Hierro Colado< 65.000

Hierro Forjado73.000

Latn39.200

Tabla 3. Mdulo de elasticidad transversal,G4.4- Coeficiente de PoissonEl coeficiente de Poisson () corresponde a la razn entre la elongacin longitudinal y la deformacin transversal en el ensayo de traccin. Alternativamente el coeficiente de Poisson puede calcularse a partir de los mdulos de elasticidad longitudinal y transversal, segn la expresin siguiente:= E-

1

2xG

Para el aluminio aleado, toma el siguiente valor:= 0,33Como en el caso anterior, las expresiones arriba indicadas del coeficiente de Poisson, n, son valores constantes siempre dentro del rango de comportamiento elstico del aluminio.4.5- Dureza BrinellLa dureza es una propiedad que mide la capacidad de resistencia que ofrecen los materiales a procesos de abrasin, desgaste, penetracin o de rallado. Para medir la dureza de un material se emplea un tipo de ensayo consistente en calibrar la resistencia de un material a la penetracin de un punzn o una cuchilla que se usa como indentador. Este indentador usualmente consta en su extremo, o bien de una esfera, o bien de una pieza en forma de pirmide, o en forma de cono y que est compuesto de un material mucho ms duro que el material que se est midiendo. La profundidad de la entalla que se produce en el material al ser rallado por este penetrador nos dar una medida de su dureza.Existen varios mtodos para calibrar la dureza de un material, siendo el mtodo Brinell y el mtodo Rockwell los ms comunes.El mtodo Brinell (ASTM E10) es un tipo de ensayo utilizado para calcular la dureza de los materiales. Consiste en una esfera de 10 mm de dimetro, usualmente de un acero endurecido, que se presiona contra la superficie del material objeto de estudio bajo una carga esttica de 3.000 kg. El tamao de la huella nos proporcionar una medida de la dureza, denominada dureza Brinell, bajo estas condiciones del ensayo.En la siguiente tabla se muestran los valores de dureza Brinell que alcanzan las distintas aleaciones de aluminio, junto con los datos de la carga de rotura (N/mm2), el lmite elstico (N/mm2) y el alargamiento en la rotura (en %):

Tabla 2. Carga de rotura, lmite elstico, alargamiento y dureza de las aleaciones de aluminioEn la siguiente figura se muestra cmo vara la dureza Brinell para las distintas aleaciones de aluminio:

Figura 5. Dureza Brinell (HB) para las aleaciones de aluminio5- Tratamientos de proteccin superficial5.1- Resistencia a la corrosinEl aluminio, debido a sus caractersticas qumicas, tiene un elevado estado de oxidacin. En concreto, su capa de valencia dispone de tres electrones lo que le confiere que su estado normal de oxidacin sea III..Este hecho se traduce en que el aluminio sea un elemento muy electropositivo y muy reactivo. De esta manera, una pieza de aluminio que entra en contacto con la atmsfera, reacciona de manera inmediata con el oxgeno del ambiente y forma rpidamente una finsima capa superficial de un xido de aluminio, la almina (Al2O3).Esta capa de almina, que se genera de forma natural y casi instantnea nada ms entrar en contacto el aluminio con el oxgeno del aire, se distribuye con un espesor microscpico (del orden de 0,01 micras) de forma regular envolviendo la totalidad de la pieza, e impide al mismo tiempo que el proceso de oxidacin pueda seguir avanzando. Adems, esta capa es extremadamente resistente y es qumicamente muy parecida a minerales como el corindn, rub o zafiro, solamente superado en resistencia por el diamante.Por lo tanto, este hecho, la formacin de manera espontnea e inmediata de la capa de almina es lo que le confiere al aluminio el poseer unas excelentes propiedades de proteccin frente a la oxidacin y de anticorrosin por parte de los agentes qumicos. Slo algunos qumicos con cloruros, o el mismo cido ctrico, pueden afectarlo lentamente. Pero el enemigo real del aluminio es el mercurio, que adems de ser extremadamente txico para el hombre, en contacto con una capa de xido de aluminio la penetra rpidamente dejando la superficie del aluminio expuesto al oxgeno del aire, que sin proteccin, termina degradndolo.5.2- AnodizadoEn el apartado anterior se vio que la capa de almina se genera de forma espontnea y natural envolviendo la totalidad de la pieza de aluminio con una fina capa de xido protector (del orden de 0,01 micras).El anodizado es un proceso qumico electroltico que permite obtener de manera artificial mayores espesores de esta capa protectora de xido (incluso hasta alrededor de las 150 micras) con lo que se consiguen mejores condiciones de proteccin que con las capas naturales de almina.El proceso de electrolisis comienza introduciendo la pieza de aluminio, que funciona de nodo, en un medio electroltico, que suele ser sulfrico. Al hacer pasar la corriente elctrica entre los polos se libera el oxgeno presente en el medio que se dirigir al nodo, que al reaccionar con el aluminio, generar la capa de xido, la almina, cubriendo el nodo, y cuyo espesor ser funcin del tiempo de paso de la corriente.Con este proceso se consigue que la pieza de aluminio se cubra de una capa de xido de gran dureza, que vara entre los 7 y 8 en la escala Mohs, adems de ser muy estable y resistente a los agentes corrosivos ambientales. La capa generada por medio del proceso electroqumico se integra en el propio metal, por lo que no puede ser raspada o pelada.Entre las ventajas del aluminio anodizado estn las siguientes:- no necesita mantenimiento- el anodizado no se afecta por la luz solar y por tanto no se deteriora- aumenta la dureza superficial, siendo resistente a la abrasin y al desgaste- la capa superficial del anodizado es ms duradera que las capas obtenidas por pinturas.No obstante, al utilizarse el aluminio anodizado en construccin se debe evitar el contacto de ste con morteros y mezclas de hormign, adems de protegerlo de ataques de agentes cidos y alcalinos.5.3- Pintado (lacado)Cuando se habla de pintura para la proteccin de superficies de aluminio, se est hablando realmente de lacado.El lacado es una aplicacin consistente en un revestimiento de tipo orgnico que se aplica sobre la superficie de aluminio para dotarla de proteccin de los agentes exteriores. El lacado adems de preservar el aspecto y caractersticas del metal base, mejoran la esttica del material. El lacado se puede aplicar tanto como pintura en polvo o en base lquida.La pintura lquida tiene como vehculo de aplicacin del recubrimiento un disolvente, el cual debe evaporarse para obtener posteriormente la capa protectora de resina pigmentada, mientras que la pintura en polvo se aplica pulverizando un polvo de resina que se deposita electrostticamente hasta obtener el espesor de capa protectora de resina pigmentada. Finalmente, la capa se endurece en el horno.Las pinturas de lacado de mayor aplicacin en el campo de la construccin y de carpintera metlica son las de tipo polister por sus buenas caractersticas de resistencia a la luz solar y a la corrosin.El proceso de lacado se lleva a cabo en tres fases diferenciadas:- Fase 1. Pretratamiento:Consiste en la preparacin y limpieza de los materiales con el fin de eliminar suciedades y adaptar las superficies del metal para el posterior recubrimiento. Este proceso se lleva a cabo sumergiendo repetidamente los materiales en disoluciones acuosas cidas. A su vez esta primera fase se lleva a cabo siguiendo la siguiente secuencia de operaciones: Desengrasado: es la primera fase de limpieza y consiste en la eliminacin de suciedad y aceites. Enjuague: utilizando agua a temperatura ambiente se aclara el perfil, retirando los restos de suciedad y de solucin que pudieran quedar de la anterior fase. Decapado: consiste en una segunda fase de limpieza, donde el material se sumerge en una solucin de mayor poder, con el fin de retirar la suciedad ms resistente al proceso. Segundo enjuague: igual que la fase anterior de enjuague. Cromatizado: es la fase mas importante, donde el tiempo y la forma de aplicacin determinar el comportamiento a la corrosin frente a los agentes ambientales. El perfil es sumergido en una solucin de cido crmico con estabilizantes que transforman la superficie del perfil en cromato de zinc, produciendo una oxidacin controlada, y creando una capa inerte de xidos de cromo y aluminio. Este proceso, tambin llamado de conversin qumica o adherencia, consigue una mayor penetracin y estabilidad de las pinturas que se apliquen posteriormente, con lo que se consigue mejorar la proteccin del perfil. Lavado: lavado con agua des-ionizada. Una vez aplicado el cromatizado, con el fin de limpiar las superficies de los restos calcreos de los lavados anteriores, se sumerge en un bao de agua des-ionizada.- Fase 2. Recubrimiento:Es la fase propiamente donde tiene lugar la aplicacin del recubrimiento protector. Se realiza en una cabina equipada con pistolas electrostticas. La pintura es polvo de polister, cargado elctricamente con signo contrario al soporte, siendo atrado por la superficie del perfil. Combinando la velocidad del transportador, el caudal de polvo, la carga electrosttica y la velocidad del robot se logra regular el espesor de capa del recubrimiento aplicado, que para perfil de carpintera oscila entre las 60/70 micras. La pintura que no se deposita en el perfil se recupera a travs de un cicln y es vertida de nuevo al depsito nodriza. Es importante, evitar el contacto del aluminio con distintos materiales, como el agua, ya que podra originar pares galvnicos nocivos para el aluminio.- Fase 3. Polimerizado:Se realiza en un horno de convencin de aire, donde la temperatura de horneado puede llegar hasta los 240 C. No obstante, el tiempo y temperatura de permanencia de los perfiles en el horno vendr definida por el fabricante de la pintura aplicada. As se logra una capa de polmero orgnico con un espesor mnimo de 60 micras perfectamente adherido a la pieza.Por ltimo, en funcin de las condiciones ambientales y del uso final de las piezas, el sistema de lacado aplicado ser diferente. As se podr elegir entre las siguinetes calidades:- Sistema de lacado estndar que incluye: Cromatizado + Lacado Polister.- Sistema de lacado de calidad mejorada que incluye: Etapas de pretratamientos especiales Eliminacin de 15 g/m2de aluminio en la capa superficial del perfil Cromatizado + Lacado con Polister- Sistema especial para ambientes marinos: Etapas de pretratamientos especiales Eliminacin de 15 g/m2de aluminio en la capa superficial del perfil Anodizado + Lacado con Polister de gran calidad.