Ciencia de Materiales

A2_GR2

Celia Gutiérrez

Ruth Jubera

Marta Alesón

ALUMINIO Y ALEACIONES

INDICE

● ¿Qué es?

● Historia

● Extracción

● Características

● Aleaciones

● Aleantes

● Aplicaciones

● Reciclado

● Datos de Producción y Consumo

¿Qué es?

El aluminio es un metal no ferromagnético. Es el tercer elemento más común encontrado

en la corteza terrestre, y uno de los más caros en obtener. Los compuestos de aluminio

forman el 8 % de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las

rocas, de la vegetación y de los animales.

Como metal se extrae únicamente del mineral

conocido con el nombre de bauxita, por transformación

primero en alúmina mediante el proceso Bayer y a

continuación en aluminio metálico

mediante electrólisis. Este metal posee una

combinación de propiedades que lo hacen muy útil

en ingeniería de materiales, tales como su

baja densidad (2700 kg/m³) y su alta resistencia a

la corrosión.

Mediante aleaciones adecuadas se puede aumentar sensiblemente su resistencia

mecánica (hasta los 690 MPa). Es buen conductor de la electricidad y del calor, se

mecaniza con facilidad y es muy barato. Por todo ello es desde mediados del siglo XX el

metal que más se utiliza después del acero.

El principal inconveniente para su obtención reside en la elevada cantidad de energía

eléctrica que requiere su producción. Este problema se compensa por su bajo coste de

reciclado, su extendida vida útil y la estabilidad de su precio.

Historia

El aluminio se utilizaba en la antigüedad clásica en tintorería y medicina bajo la forma de

una sal doble, conocida como alumbre y que se sigue usando hoy en día.

En el siglo XIX, con el desarrollo de la física y la química, se identificó el elemento. Su

nombre inicial, aluminum, fue propuesto por el británico Sir Humphrey Davy en 1809.

A medida que se sistematizaban los nombres de los distintos elementos, se cambió por

coherencia a la formaaluminium,

La extracción del aluminio a partir de las rocas que lo contenían se reveló como una tarea

ardua. Durante el siglo XIX, la producción era tan costosa que el aluminio llegó a

considerarse un material exótico, de precio desorbitado, y tan preciado o más que la plata

o el oro. Durante la Exposición Universal de 1855 se expusieron unas barras de aluminio

junto a las joyas de la corona de Francia.

Diversas circunstancias condujeron a un perfeccionamiento de las técnicas de extracción y

un consiguiente aumento de la producción. La primera de todas fue la invención de

la dinamo en 1866, que permitía generar la cantidad de electricidad necesaria para realizar

el proceso de extracción.

En el año 1889, Karl Bayer patentó un procedimiento para extraer la alúmina u óxido de

aluminio a partir de la bauxita, la roca natural.

Poco antes, en 1886, el francés Paul Héroult y el norteamericano Charles Martin

Hall habían patentado de forma independiente y con poca diferencia de fechas un proceso

de extracción, conocido hoy como proceso Hall-Héroult. Con estas nuevas técnicas se

incrementó vertiginosamente la producción de aluminio.

La abundancia conseguida produjo una caída del precio y que perdiese la vitola de metal

preciado para convertirse en metal común. Ya en 1895 abundaba lo suficiente como para

ser empleado en la construcción, como es el caso de la cúpula del edificio de la secretaría

de Sídney, donde se utilizó este metal.

Hoy en día las líneas generales del proceso de extracción se mantienen, aunque se recicla

de manera general desde 1960, por motivos medioambientales pero también económicos,

ya que la recuperación del metal a partir de la chatarra cuesta un 5 % de la energía de

extracción a partir de la roca.

Extracción

La obtención del aluminio se realiza en dos fases:

1. Separación de la alúmina (Al2O3) de las bauxitas por el

procedimiento Mayer, que comprende las siguientes

operaciones:

Se calientan las bauxitas para deshidratarlas, una vez

molidas; se atacan a continuación con lejía de sosa en

caliente y a presión para formar aluminato sódico

(Na2O.Al2O3), que se separa del resto de los

componentes de la bauxita.

Después, bajo la influencia de una pequeña cantidad de

alúmina que inicia la reacción, se hidroliza el aluminato de

sodio, quedando alúmina hidratada e hidróxido de sodio.

Finalmente, se calcina la alúmina hidratada a 1.200ºC, con

lo que queda preparada para la fase siguiente.

2. Reducción de la alúmina disuelta en un baño de criolita (Fna, F3AI), y con cierta

cantidad de fundente, por electrolisis con electrodos de carbón.

Para obtener una tonelada de aluminio son necesarias 4 Tm. de bauxita, 80 kgs. de

criolita, 600 kgs. de electrodos de carbón y 22.000kw-hora. La metalurgia de aluminio es,

por tanto, esencialmente electrolítica.

Estas son las principales minas de Bauxita. Actualmente las principales minas están

ubicadas en el Caribe, Australia, Brasil y África.

Características

Características físicas

Se trata de un metal ligero, con una densidad de 2700 kg/m³, y con un bajo punto de fusión

(660 °C). Su color es blanco y refleja bien la radiación electromagnética del espectro

visible y el térmico. Es buen conductor eléctrico (entre 35 y 38 m/(Ω mm²)) y térmico (80 a

230 W/(m·K)).

Características mecánicas

Es un material blando (escala de Mohs: 2-4) y maleable. En estado puro tiene un límite de

resistencia en tracción de 160-200 MPa. Todo ello le hace adecuado para la fabricación de

cables eléctricos y láminas delgadas, pero no como elemento estructural. Para mejorar

estas propiedades se alea con otros metales, lo que permite realizar sobre él operaciones

de fundición y forja, así como la extrusión del material. También de esta forma se utiliza

como soldadura.

Características químicas

Reacciona con el oxígeno de la atmósfera formando con rapidez una fina capa gris mate

de alúmina Al2O3, que recubre el material, aislándolo de corrosiones. Esta capa puede

disolverse con ácido cítrico. A pesar de ello es tan estable que se usa con frecuencia para

extraer otros metales de sus óxidos. Por lo demás, el aluminio se disuelve en ácidos y

bases. Reacciona con facilidad con el ácido clorhídrico y el hidróxido sódico.

Aleaciones

Las aleaciones de aluminio son materiales obtenidas a partir de aluminio y otros elementos.

Forman parte de las llamadas aleaciones ligeras, con una densidad mucho menor que

los aceros, pero no tan resistentes a la corrosión como el aluminio puro, que forma en su

superficie una capa de óxido de aluminio (alúmina). Las aleaciones de aluminio tienen

como principal objetivo mejorar la dureza y resistencia del aluminio, que es en estado puro

un metal muy blando.

La corrosión galvánica se produce rápidamente en las aleaciones de aluminio cuando

entran en contacto eléctrico con acero inoxidable u otras aleaciones con

mayor electronegatividad en un ambiente húmedo, por lo que si se usan conjuntamente

deben ser adecuadamente aisladas.

Aleantes

Los principales elementos de aleación del aluminio son los siguientes y se enumeran las

ventajas que proporcionan.

Cromo (Cr) Aumenta la resistencia mecánica cuando está combinado con otros

elementos Cu, Mn, Mg.

Cobre (Cu) Incrementa las propiedades mecánicas pero reduce la resistencia a la

corrosión.

Hierro (Fe) Aumenta la resistencia mecánica.

Magnesio (Mg) Tiene una gran resistencia tras el conformado en frío.

Manganeso (Mn) Incrementa las propiedades mecánicas y reduce la calidad de

embutición.

Silicio (Si) Combinado con magnesio (Mg), tiene mayor resistencia mecánica.

Titanio (Ti) Aumenta la resistencia mecánica.

Zinc (Zn) Aumenta la resistencia a la corrosión.

Escandio (Sc) Mejora la soldadura

Las aleaciones de aluminio se dividen en dos grandes grupos, las que no reciben

tratamiento térmico y las que reciben tratamiento térmico.

Aplicaciones

Aplicaciones Aluminio

El aluminio tiene multitud de aplicaciones: su bajo peso específico lo hace útil para la

fabricación de aleaciones ligeras, extensamente empleadas en construcciones

aeronáuticas y en general, cada vez más en los vehículos de transporte (automotores,

TALGO, automóviles,...). Su elevada conductividad eléctrica lo hace útil para la fabricación

de conductores eléctricos de aluminio técnicamente puro o en forma de cables armados

con acero galvanizado.

Su elevada conductividad calorífica e inalterabilidad lo hacen útil para la fabricación de

utensilios de cocina y, en general, para aparatos de intercambio de calor. Su maleabilidad

lo hace útil para la fabricación de papel de aluminio, en lo que se emplea actualmente un

10% de su producción total.

Su resistencia a la corrosión lo hace útil para fabricación de depósitos para ácido acético,

cerveza,... También se emplea en forma de chapas para cubiertas de edificios. Y reducido

a polvo para la fabricación de purpurinas y pinturas resistentes a la corrosión atmosférica.

Sus propiedades reductoras lo hacen útil para la desoxidación del hierro y de otros

metales, y para las soldaduras aluminio-térmicas.

Aplicaciones de las aleaciones

Las aleaciones de aluminio tienen cada día una mayor aplicación, utilizándose

extensamente para la fabricación de piezas que deben ser resistentes y al mismo tiempo

ligeras para las construcciones aeronáuticas, vagones de ferrocarriles de trenes

articulados modernos,... También se emplean para la fabricación de culatas, cráteres, y

émbolos de motores de explosión.

En la edificación se emplean las aleaciones de aluminio para la construcción de puertas y

ventanas, molduras,...

En las construcciones navales se emplean ampliamente determinadas aleaciones de

aluminio por su resistencia a la corrosión marina.

Reciclado

El reciclado del aluminio es un proceso complejo, en el que intervienen diversos factores.

Tanto sus canales de recuperación como sus aplicaciones y mercados presentan múltiples

posibilidades. El papel del recuperador se convierte en fundamental ya que se encuentra

en el centro del “ciclo” y colabora en forma decisiva para darle el mejor uso posible a un

material que puede ser reciclado prácticamente en un 100%

El aluminio usado llega principalmente por dos canales: de los desechos del consumo ya

sea doméstico o industrial (por ejemplo, cables eléctricos, planchas litográficas, latas de

bebidas, otros envases y embalajes, desguace de vehículos, derribos, etc.) y de los

recortes y virutas que se producen durante la fabricación de productos de aluminio. Por lo

tanto, para los recuperadores mayoristas, pueden haber diferentes tipos de proveedores:

la industria en general, fábricas, pequeños talleres, plantas de selección, minoristas o

mayoristas, poniéndose de manifiesto una creciente internacionalización de este sector.

Existen muchos tipos de aluminio distintos que se comercializa en el mercado de la

recuperación, pero se pueden agrupar básicamente en cuatro: los productos

laminados (planchas de construcción, planchas de imprentas, papel de aluminio, partes de

carrocerías de vehículos…), los extrusionados (perfiles para ventanas, piezas para

vehículos…), los aluminios moldeados ya sea por gravedad o por inyección (piezas para

motores, manubrios de las puertas, etc.) los trefilados para la fabricación de cables y otros

usos.

La industria también clasifica el aluminio en primario, cuando se extrae de su mineral

bauxita, y de segunda fusión, cuando su materia prima básica son las chatarras y recortes

de aluminio provenientes de aluminio ya usado y de recortes de fabricación.

Se utiliza aquí el término “chatarra” en sentido amplio, como desechos de productos

metálicos ya utilizados, conscientes de que el sector recuperador aplica principalmente

este término a los desechos de productos de hierro y acero.

Datos de producción y consumo

A la hora de comercializar con el aluminio, hay que tener en cuenta los factores que

influyen en su precio. A priori, el más cotizado será siempre el material más puro, como es

el caso del aluminio cable, que contiene un 99,7% de pureza, por lo que se puede destinar

para cualquier otro uso. Es decir, cuanto más puro es el material, más salidas puede

obtener. El precio está condicionado, además, por los diferentes materiales aleados que

contiene la chatarra. También una parte del aluminio recuperado, en efecto, puede tener

revestimientos, lacados, etc., con lo que su precio es más bajo por el efecto de las mermas

y por los sofisticados sistemas de filtrado de humos que encarecen el reciclado. También

hay que tener en cuenta que el aluminio está sujeto a la cotización de la Bolsa de Metales

de Londres o LME y del dólar diariamente.

Este hecho condiciona también el proceso del reciclaje, ya que cuando los precios caen se

recupera menos material. En cualquier caso, gracias a que cotiza en Bolsa (LME), el del

aluminio es un mercado abierto, por lo que los precios son los mismos en cualquier parte

del mundo. Eso sí, la ley de la oferta y la demanda, como en cualquier otro sector, es la

que dicta las pautas en cada momento.