Unidad Nº3 Materiales no ferrosos

TECNOLOGIA DE MATERIALES

UNIDAD Nº3: METALES NO FERROSOS

ALEACIONES NO FERROSAS

I ALEACIONES LIVIANAS

La denominación ALEACIONES LIVIANAS se aplica tradicionalmente a aquellas que tienen un peso específico

inferior al del hierro.

1 ALUMINIO Y ALEACIONES DE ALUMINIO

1.1 Propiedades

El aluminio posee una combinación de propiedades que lo hace muy útil en ingeniería:

Posee baja densidad, 2.7 (g/cm3)

Tienen buena resistencia ala corrosión, debido a la delgada película de óxido que forma en su superficie.

Las aleaciones de aluminio pueden alcanzar una resistencia de 690 (MPa).

No es tóxico (se puede usar como contenedor de alimentos)

Buena conductividad eléctrica

Precio relativamente bajo

Es el elemento más abundante en la corteza terrestre.

1.2 Clasificación de las aleaciones de aluminio

Estas aleaciones se clasifican según su calidad (forjadas, fundidas) y su tratamiento térmico (recocido,

envejecido,...) o grado de endurecimiento.

1.2.1 Clasificación según la calidad.

Antes de estudiar la clasificación hay que tener en cuenta el significado del nombre de las aleaciones,

estas constan de cuatro dígitos; el primer dígito señala el grupo de aleación. Los dos últimos dígitos indican la

aleación de aluminio o la pureza. El segundo dígito indica la modificación de la aleación original o los límites de

impureza.

Por ejemplo un aluminio 1100 indicaría que es un aluminio comercialmente puro (1), con 0% de

aleación (00) y un 1% máximo de impureza (1).

Grupo de aleación Designación (serie)

Aluminio 99% de pureza, comercialmente puro 1xxx

Cobre (Cu) 2xxx

Manganeso (Mn) 3xxx

Silicio (Si) 4xxx

Magnesio (Mg) 5xxx

Magnesio y silicio 6xxx

Cinc (Zn) 7xxx

Otros (Sn) 8xxx

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Aleaciones de aluminio calidad forjado no tratables térmicamente .

Solamente pueden ser trabajadas en frío para aumentar su resistencia, las series pertenecientes a este

grupo son la 1xxx, 3xxx y la 5xxx.

Aleaciones de aluminio calidad forjado tratables térmicamente .

Aparte del endurecimiento por deformación se pueden reforzar con tratamiento de precipitación

(envejecimiento), a este grupo pertenecen las series 2xxx, 6xxx, 7xxx.

Aleaciones para fundición (foundry)

Estas aleaciones presentan buena fluidez y capacidad de alimentación, así como propiedades

de resistencia, ductilidad y resistencia a la corrosión. La composición es muy distinta a las calidades

para forja. En la tabla siguiente se presenta un detalle de estas aleaciones:

Grupo de aleación Designación (serie)

Aluminio 99% de pureza, comercialmente puro 1xx.x

Cobre (Cu) 2xx.x

Silicio, con adiciones de Cu y/o Mn 3xx.x

Silicio (Si) 4xx.x

Magnesio (Mg) 5xx.x

Cinc (Zn) 7xx.x

Estaño (Sn) 8xx.x

Otros elementos 9xx.x

Efecto de los elementos de aleación en el aluminio fundido.

Silicio: Es el elemento más importante, promueve el aumento en la fluidez y de su capacidad

de alimentación.

Magnesio: Aumenta la resistencia de la aleación mediante la precipitación o el envejecimiento.

Cobre: Eleva la resistencia para aplicaciones a altas temperaturas

1.2.2 Designación del grado de endurecimiento.

Esta designación figura después del nombre de la aleación.

Designación Significado

F Tal como se fabricó. Sin control y conocimiento sobre la cuantía del endurecimiento.

O Recocido y recristalizado, Endurecimiento con mínima resistencia y máxima ductilidad.

Subdivisión de endurecimiento por deformación (H)

H1 Endurecimiento por deformación. El grado de endurecimiento se indica en el segundo dígito y varía

desde 1/4 de endurecimiento (H12) hasta el endurecimiento total (H18), un 75% de reducción de

área.

H2 Endurecimiento por deformación con recocido parcial. Los grados de endurecimiento son H22, H24,

H26, H28.

H3 Endurecimiento por deformación y estabilizado. Para aleaciones de Aluminio-Magnesio,

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reblandecidas por envejecimiento, endurecidas por deformación y después calentadas a bajas

temperaturas para incrementar la ductilidad y estabilizar las propiedades mecánicas. Los grados son

H32, H34, H36, H38.

Subdivisión de endurecimiento por tratamiento térmico (T)

T1 Envejecimiento natural.

T3 Solución sólida, trabajado en frío y envejecido natural hasta lograr la estabilidad

T4 Solución sólida y envejecido natural hasta lograr la estabilidad

T5 Enfriado desde el proceso de modelado y después un envejecimiento artificial.

T6 Solución sólida y envejecimiento artificial

T7 Solución sólida y estabilizada

T8 Solución sólida, trabajo en frío y envejecimiento artificial

W Tratada por solución sólida

Al_Si Serie 4000 Al-Mg Serie 5000

Al-Si Serie 4000 Al-Si Serie 4000

Al-Mg Serie 5000 Al –Mg Serie 5000

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2 ALEACIONES DE MAGNESIO

El magnesio es un material muy ligero (densidad= 1.74 g/cm3) y compite con el aluminio en aplicaciones

de bajo peso.

Estas aleaciones presentan algunas desventajas frente al aluminio:

Son de mayor precio

Es difícil de moldear, ya que en estado fundido arde en el aire

Presentan resistencia relativamente baja y pobre resistencia mecánica la fatiga, a la termofluencia

y desgaste.

Muy poco deformables

La ventaja que presenta es su bajo peso y se utilizan de manera muy conveniente en aplicaciones

aerospaciales.

2.1 Clasificación de las aleaciones de Magnesio.

Calidad Forjadas: En forma de planchas, láminas, extrusiones y forjados.

Calidad fundida: Moldeo

Estas aleaciones se designan con dos letras mayúsculas que representan los dos elementos de aleación

principales. Seguida por dos o tres números, el primero indica la cantidad del primer elemento y el segundo

número del otro elemento de aleación.

A Aluminio K Zirconio S silicio

Z Cinc E Tierras raras T Estaño

M Manganeso Q plata W itrio

La designación del grado de endurecimiento son las mismas que el aluminio.

2.2 Propiedades

La mayoría de las aleaciones de magnesio estructurales son de calidad fundidas por la gran dificultad

de deformarlas.

Las adiciones de aluminio y de cinc incrementan la resistencia por solución sólida.

Al restringir los niveles de impurezas (Fe, Ni) mejoran la resistencia a la corrosión.

La adición de tierras raras (cerio) produce un compuesto rígido en los bordes de grano

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AZ63


3 ALEACIONES DE TITANIO

El titanio (Ti) es un metal relativamente liviano (densidad = 4.54 g/cm3) pero posee una gran

resistencia, por lo tanto pueden competir favorablemente con aleaciones de aluminio para algunas aplicaciones,

pese a su elevado precio (5 veces más caro que el Al).

Este material presenta una excelente resistencia a la corrosión frente a muchos ambientes químicos,

como soluciones de cloro o cloruros inorgánicos.

Estas aleaciones se pueden clasificar en:

Titanio comercialmente puro

Aleaciones de Titanio alfa (5% de Al y 2.5% de Sn)

Aleaciones de Titanio Beta (13% de V, 11% de Cr y 3% de Al)

Aleaciones de Titanio alfa-beta (8% de Mn o 6% de Al con 4% de V)

Ti puro Ti-alfa

Ti-beta Ti-alfa beta

II ALEACIONES PESADAS

4 ALEACIONES DE NIQUEL

El níquel es un material importante por su gran resistencia a la corrosión y a la oxidación a elevadas

temperaturas. Este material es altamente maleable pero es relativamente caro y posee una densidad alta (8.9

g/cm3), lo que limita su uso.

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Níquel comercial: Utilizado para elementos eléctricos y electrónicos y debido a su resistencia ala

corrosión se usa en equipos procesadores de alimentos.

Monel: Aleaciones Ni con cobre con una cantidad de cobre alrededor del 32%. Poseen

una resistencia relativamente alta, soldabilidad y excelente a la corrosión. Además es de menor costo por la

presencia de cobre. Al agregar 3% de aluminio y 0.6% de titanio se incrementa notablemente la resistencia

debido a un endurecimiento por precipitación (envejecimiento), los precipitados son Ni3Al y Ni3Ti.

Inconel: Aleaciones NI-Cr, presenta una excelente resistencia a la corrosión y oxidación

a latas temperaturas, alta resistencia a los cambios repetitivos de temperatura. Se utilizan en intercambiadores

de calor en calderas, equipos de pasteurización de leche y de otros alimentos.

Hastelloy: Son aleaciones Ni-Mo-Fe, son endurecibles por deformación solamente ya que

son austeníticas. Poseen excelente resistencia a la corrosión, se utilizan para transportar y almacenar ácidos.

Al agregarle cromo se incrementa su resistencia a la corrosión y oxidación a alta temperatura,

utilizándolo en hornos industriales, partes de motores de avión (tubos de escapes de propulsión,

posquemadores y paletas de hélice)

En la tabla se muestra la composición de las aleaciones con sus características.

5 ALEACIONDE BASE CINC

Aleaciones base Zn con aluminio, cobre y magnesio. Son especialmente útiles para obtener piezas

fundidas, presentan un bajo costo y buena resistencia a la corrosión, aceptable resistencia mecánica y

superficie tratable.

El nombre comercial es ZAMAC

Influencia de elementos de aleación

Magnesio: Previene la corrosión bajo la superficie y aumenta la resistencia al impacto

Cobre: Incrementa la resistencia mecánica y dureza

Aluminio: Aumenta la resistencia, con cantidades muy elevadas fragiliza la aleación.

Estas aleaciones se pueden tratar superficialmente con mucho éxito logrando muy buenas calidades.

Se puede recubrir su superficie con electrodepositación empezando con una capa de cobre, dos capas de

níquel y terminando con una capa de cromo, oro, platino o cualquier otro metal.

Usos

Máscaras para automóviles, faroles, manillas, juguetes, motores eléctricos de poca potencia,

filtros, reguladores de gas licuado, carburadores, piezas para electrodomésticos.

Normas Asociadas Composición Resistencia (MPa)

ZAMAC 3 Sae-903, ASTM-B-86 AG40-A0 3.9-4.3%Al /0.1%Cu /0.025Mg 283

ZAMAC 5 Sae-925, ASTM-B-86 AC41-A 3.9-4.3%Al /0.75%Cu /0.03Mg 331

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6 ALEACIONES BASE COBRE

Las aleaciones de cobre son más pesadas que el hierro.

Esta aleaciones presentan mayor resistencia a la fatiga, a la termo - fluencia y al desgaste abrasivo que las

aleaciones livianas. Presentan además excelente resistencia a la corrosión, conductividad eléctrica y térmica y

respuesta positiva al endurecimiento por deformación.

Estas aleaciones utilizan gran parte de los mecanismos de endurecimiento:

Por tamaño de grano

Por deformación

Por solución sólida

Por envejecimiento

Por reacción martensítica

Por reacción eutectoide

Cobre comercialmente puro

Son cobres con a lo más un 1% de impurezas, se usan en aplicaciones eléctricas. Algunos son

endurecidos por dispersión con pequeñas cantidades de alúmina lo cual mejora su dureza sin disminuir

significativamente su conductividad.

Cualquiera de estos cobres puede ser endurecido por deformación produciendo grandes incrementos

en su resistencia con muy poca disminución de su conductividad.

Latones

Los latones son aleaciones en base a Cobre y Zn, contienen típicamente entre 5 y 45% de Zn, algunos de los

cuales contienen pequeñas cantidades de otros elementos, como plomo (Pb), estaño (Sn) o aluminio (Al).

Las variaciones en composición darán como resultado las características de color, resistencia, ductilidad,

maquinabilidad y resistencia a la corrosión deseada o una buena combinación de tales propiedades.

En este sistema en particular se presenta que las propiedades mecánicas e incluso la elongación, aumenta

conforme se eleva el contenido de Zn.

Las aleaciones de zinc monofásicas, hasta un 30-35% de Zn, presentan como característica importante la

conformabilidad en frío y caliente. Presentan una mala conductividad térmica y eléctrica. Sus propiedades

muestran las siguientes variaciones:

El plomo adicionado a los latones mejora la maquinabilidad, producto de la insolubilidad pudiendo ser

considerada una inclusión metálica beneficiosa.

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Latones al plomo

El plomo es prácticamente insoluble en los latones y se separa en forma de finos glóbulos, favoreciendo la

fragmentación de las virutas en el mecanizado. También el plomo tiene un efecto de lubricante por su bajo

punto de fusión, disminuyendo el desgaste de la herramienta de corte.

Algunas aleaciones típicas son:

CuZn35Pb2, aleación monofásica apta para deformación en frío, como por ejemplo para conformado en matriz

y forja en frío, acepta fácilmente operaciones posteriores de mecanizado.

CuZn39Pb2, aleación bifásica, apta para conformado en caliente, y para mecanizado en frío.

CuZn40Pb3, aleación bifásica, muy buena para mecanizado a altas velocidades.

Aplicaciones de los latones

Como aplicaciones importantes destacan:

Casquillos de artillería

Piezas para embutido profundo

Instrumentos de música

Tortillería

Intercambiadores de calor

Bronces

Los bronces son aleaciones de cobre con estaño, aún cuando se les suele utilizar más ampliamente para otras

aleaciones de cobre. Las aleaciones industriales de bronce tienen en general entre 3 y 20 % de Sn. Las

principales aplicaciones de los bronces están basadas en la elevada resistencia a la corrosión que poseen.

También presentan una excelente combinación entre conductividad eléctrica y bajo módulo elástico, que la

hace apta para aplicaciones de resortes en electrotecnia.

Bronces de laminación

A continuación se nombrarán los tipos más importantes de bronces para laminación:

Bronces binarios: Estos bronces contienen entre 2 y 9 % de Sn. Las principales aleaciones son:

CuSn4P, CuSn6P y CuSn9P. Son muy adecuados para la laminación en frío, pero no así para la

laminación en caliente, por esto se prefiere producirlos a partir de coladas continuas de alambrones o

de bandas delgadas que luego se laminan en frío.

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Bronces fosfóricos. Estos latones tienen de 0,1 a 0,2 % de P, con el cual se produce Cu3P, éste aumenta la

dureza y la resistencia al desgaste del bronce.

Bronces al Zinc. La adición de 4 a 10 % de Zn mejora la maleabilidad de la aleación pero disminuye la

resistencia al desgaste. Si además se agrega un 4% de Pb mejoran las propiedades de mecanizado.

Bronces de fundición

Contienen de un 4 a un 13 % de Sn con adiciones de Zn, Pb y P.

Bronces binarios. La aleaciones CuSn12 y CuSn8 son excelentes para ser moldeadas.

Bronces al plomo. A estas aleaciones se les agrega hasta un 7% de plomo para mejorar la aptitud para el

mecanizado. Con porcentajes entre 6 y 30% de plomo, como por ejemplo las aleaciones CuSn5Pb20 y

CuSn10Pb10, se mejora la resistencia del bronce a la fricción, usándose principalmente para bujes o cojinetes. El

plomo forma una reacción monotéctica en el cobre formando pequeñas esferas ricas en plomo lo cual mejora

propiedades tales como maquinabilidad (aumenta la tendencia a la formación de viruta), lubricación y

encajabilidad (partículas duras se encajan en las esferas de plomo disminuyendo el desgaste abrasivo).

Bronces al zinc y al plomo. Si se agrega Zn como desoxidante en el metal líquido, mejora la moldeabilidad de la

aleación. Estos bronces se usan en grifería de agua a presión, en grifería de vapor y en piezas que deben ser

estancas al petróleo y gasolina. La estanqueidad es provista por el plomo. Principales aleaciones de este tipo

son: CuSn5Pb5Zn5, CuSn7Pb6Zn4.

Los Cuproníqueles

Se caracterizan por:

Excelente resistencia a la corrosión, especialmente en agua de mar en movimiento

Insensibilidad a la corrosión bajo tensión

Mantienen la resistencia mecánica a temperaturas de 300 a 400 ºC

Conductividad eléctrica y térmica relativamente débil.

Se usan principalmente en intercambiadores de calor, especialmente en aquellos que trabajan con agua de mar

y también en monedas. Se conforman bien en frío y se sueldan bien si tienen una pureza bien controlada. Las

principales aleaciones contienen entre 5 y 45% de Ni, se agrega un poco de Mn para transformar todo el azufre

de la aleación en MnS. El CuNi44Mn se caracteriza por una resistividad eléctrica constante frente a variaciones

en la temperatura de trabajo. Las adiciones de Fe se efectúan para mejorar las características a la corrosión-

erosión en agua de mar; además mejora sus propiedades mecánicas. Estas aleaciones tienen una propiedad

muy importante que es el rechazar los organismos marinos, esta propiedad se llama antifouling, es primordial

porque en equipos que trabajan con agua se mar se van depositando organismos marinos que dificultan la

circulación del agua y estimulan la corrosión. Aleaciones más importantes utilizadas son: CuNi10Fe1Mn,

CuNi30Mn1Fe. Los cuproníqueles se pueden conformar en planchas y en tubos, además se pueden usar para

piezas fundidas, en general llevan la adición de hierro para mejorar su resistencia a la corrosión-erosión. Una

síntesis de propiedades mecánicas de aleaciones cuproníquel se muestra en la siguiente tabla:

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Aplicación Aleación de cobre

Alabes de turbina y súper compresores Cuproalumnios

Monel

Cojinetes Bronce fosforoso

Bronce grafitado

Bronce con zinc y plomo

Bronce sinterizado

Cuproplomo

Cuprosilicio manganeso

Cuerpos de bombas y válvulas, tornillos, aplicaciones

estructurales generales

Bronce con zinc, cuproaluminio, cuproaluminio

con manganeso, cuprosilicio con manganeso,

latón de alta resistencia, latón naval, monel

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Engranajes y piezas mecánicas sujetas a desgaste Bronce fosforoso Bronce con zinc

Cuproaluminio

Cuprosilicio con manganeso

Latón de alta resistencia

Herramientas antichispa Cobre berilio

Cuproaluminio

Cuproaluminio con manganeso

Muelles Bronce fosforoso

Cobre berilio

Cuproníquel

Latón

Piezas extruidas y forjadas en caliente

Pletinas y perfiles.

Accesorios de tuberías

Piezas para mecanismos ligeros

Cobre

Cuproaluminio

Latón -

Latón - con plomo

Latón alta resistencia

Latón naval

Piezas fundidas, estancas a presión y en general Bronce con zinc

Bronce con zinc y plomo

Cuproaluminio

Cuprosilicio con manganeso

Latón -

7 ESTAÑO

El estaño es muy dúctil y maleable a 100 °C de temperatura y es atacado por los ácidos fuertes. Ordinariamente

es un metal blanco plateado, pero a temperaturas por debajo de los 13 °C se transforma a menudo en una

forma alotrópica (claramente distinta) conocida como estaño gris, que es un polvo amorfo de color grisáceo con

una densidad relativa de 5,75. Debido al aspecto moteado de los objetos de estaño que sufren esta

descomposición, a esta acción se la denomina comúnmente enfermedad del estaño o peste del estaño. Al

doblar una barra de estaño ordinaria, ésta emite un sonido crepitante llamado grito del estaño, producido por la

fricción de los cristales. El estaño ocupa el lugar 49 entre los elementos de la corteza terrestre. El estaño

ordinario tiene un punto de fusión de 232 °C, un punto de ebullición de 2.260 °C .

Aplicaciones: Este material se ocupa para la fabricación de intercambiadores de calor, municiones,

componentes electrónicos, etc. El estaño es un metal muy utilizado en centenares de procesos industriales en

todo el mundo. En forma de hojalata, se usa como capa protectora para recipientes de cobre, de otros metales

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utilizados para fabricar latas, y artículos similares. El estaño es importante en las aleaciones comunes de

bronce (estaño y cobre), en la soldadura (estaño y plomo) y en el metal de imprenta (estaño, plomo y

antimonio). También se usa aleado con titanio en la industria aerospacial, y como ingrediente de algunos

insecticidas.

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