sábado, 22 de diciembre de 2012

Aluminio



EL ALUMINIO


ESTADO NATURAL DEL ALUMINIO
El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Se trata de un metal no ferromagnético. Es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. 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.
En estado natural se encuentra en muchos silicatos. Como metal se extrae únicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, por transformación primero en alúmina mediante el proceso de 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 (2.700 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 relativamente barato.
Características físicas
El aluminio es un elemento muy abundante en la naturaleza, sólo aventajado por el silicio y el oxígeno. 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 34 y 38 m/ (Ω mm2)  y térmico 80 a 230 W/ (m·K).

Características mecánicas

Mecánicamente es un material blando (Escala de Mohs: 2-3-4) y maleable. En estado puro tiene un límite de resistencia en tracción de 160-200 N/mm2 (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
La capa de valencia del aluminio está poblada por tres electrones, por lo que su estado normal de oxidación es III. Esto hace que reaccione con el oxígeno de la atmósfera formando con rapidez una fina capa gris mate de alúmina Al2O3, que recubre el material, aislándolo de ulteriores 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.

APLICACIONES Y USOS

La utilización industrial del aluminio ha hecho de este metal uno de los más importantes, tanto en cantidad como en variedad de usos, siendo hoy un material polivalente que se aplica en ámbitos económicos muy diversos y que resulta estratégico en situaciones de conflicto. Hoy en día, tan sólo superado por el hierro/acero. El aluminio se usa en forma pura, aleado con otros metales o en compuestos no metálicos. En estado puro se aprovechan sus propiedades ópticas para fabricar espejos domésticos e industriales, como pueden ser los de los telescopios reflectores. Su uso más popular, sin embargo, es como papel aluminio, que consiste en láminas de material con un espesor tan pequeño que resulta fácilmente maleable y apto por tanto para embalaje alimentario. También se usa en la fabricación de latas y tetrabriks.


Por sus propiedades eléctricas es un buen conductor, capaz de competir en coste y prestaciones con el cobre tradicional. Dado que, a igual longitud y masa, el conductor de aluminio tiene más conductividad, resulta un componente útil para utilidades donde el exceso de peso no es importante. Es el caso de la aeronáutica y de los tendidos eléctricos donde el menor peso implica en un caso menos gasto de combustible y mayor autonomía, y en el otro la posibilidad de separar las torres de alta tensión.
Además de eso, aleado con otros metales, se utiliza para la creación de estructuras portantes en la arquitectura y para fabricar piezas industriales de todo tipo de vehículos y calderería. También está presente en enseres domésticos tales como utensilios de cocina y herramientas. Se utiliza asimismo en la soldadura aluminotérmica y como combustible químico y explosivo por su alta reactividad. Como presenta un buen comportamiento a bajas temperaturas, se utiliza para fabricar contenedores criogénicos.

APLICACIONES

Un volumen dado de aluminio pesa menos que 1/3 del mismo volumen de acero. Los únicos metales más ligeros son el litio, el sodio, el berilio y el magnesio. Debido a su elevada proporción resistencia-peso es muy útil para construir aviones, vagones ferroviarios y automóviles, y para otras aplicaciones en las que es importante la movilidad y la conservación de energía. Por su elevada conductividad térmica, el aluminio se emplea en utensilios de cocina y en pistones de motores de combustión interna. Solamente presenta un 63% de la conductividad eléctrica del cobre para alambres de un tamaño dado, pero pesa menos de la mitad.
Este metal se utiliza cada vez más en arquitectura, tanto con propósitos estructurales como ornamentales. Las tablas, las contraventanas y las láminas de aluminio constituyen excelentes materiales de construcción. Se utiliza también en reactores nucleares a baja temperatura porque absorbe relativamente pocos neutrones. Con el frío, el aluminio se hace más resistente, por lo que se usa a temperaturas criogénicas. El papel de aluminio de 0,018 cm de espesor, actualmente muy utilizado en usos domésticos, protege los alimentos y otros productos perecederos. Debido a su poco peso, a que se moldea fácilmente y a su compatibilidad con comidas y bebidas, el aluminio se usa mucho en contenedores, envoltorios flexibles, y botellas y latas de fácil apertura. El reciclado de dichos recipientes es una medida de ahorro de energía cada vez más importante. La resistencia del aluminio a la corrosión por el agua de mar también lo hace útil para fabricar cascos de barco y otros mecanismos acuáticos.

Producción

El aluminio es uno de los elementos más abundantes de la corteza terrestre (8%) y uno de los metales más caros en obtener. La producción anual se cifra en unos 33,1 millones de toneladas, siendo China y Rusia los productores más destacados, con 8,7 y 3,7 millones respectivamente. Una parte muy importante de la producción mundial es producto del reciclaje. En 2005 suponía aproximadamente un 20% de la producción total.  A continuación se lista unas cifras de producción:
La materia prima a partir de la cual se extrae el aluminio es la bauxita, que recibe su nombre de la localidad francesa de Les Baux, donde fue extraída por primera vez. Actualmente los principales yacimientos se encuentran en el Caribe, Australia, Brasil y África porque la bauxita extraída allí se disgrega con más facilidad. Es un mineral rico en aluminio, entre un 20% y un 30% en masa, frente al 10% o 20% de los silicatos alumínicos existentes en arcillas y carbones. Es un aglomerado de diversos compuestos que contiene caolinita, cuarzo óxidos de hierro y titania, y donde el aluminio se presenta en varias formas hidróxidas como la gibbsita Al (OH)3, la bohemita AlOOH y la diásporo AlOOH.
La obtención del aluminio se realiza en dos fases: la extracción de la alúmina a partir de la bauxita (proceso Bayer) y la extracción del aluminio a partir de esta última mediante electrolisis. Cuatro toneladas de bauxita producen dos toneladas de alúmina y, finalmente, una de aluminio. El proceso Bayer comienza con el triturado de la bauxita y su lavado con una solución caliente de hidróxido de sodio a alta presión y temperatura. La sosa disuelve los compuestos del aluminio, que al encontrarse en un medio fuertemente básico, se hidratan:
Al(OH)3 + OH- + Na* → Al(OH)4- + Na*
AlO(OH)2 + OH- + H2O + Na* → Al(OH)4- + Na*
Los materiales no alumínicos se separan por decantación. La solución cáustica del aluminio se enfría luego para recristalizar el hidróxido y separarlo de la sosa, que se recupera para su ulterior uso. Finalmente, se calcina el hidróxido de aluminio a temperaturas cercanas a 1000 °C, para formar la alúmina.
2 Al(OH)3Al2O3 + 3 H2O
El óxido de aluminio así obtenido tiene un punto de fusión muy alto (2000 °C) que hace imposible someterlo a un proceso de electrolisis. Para salvar este escollo se disuelve en un baño de criolita, obteniendo una mezcla eutéctica con un punto de fusión de 900 °C. A continuación se procede a la electrólisis, que se realiza sumergiendo en la cuba unos electrodos de carbono (tanto el ánodo como el cátodo), dispuestos en horizontal. Cada tonelada de aluminio requiere entre 17 y 20 MWh de energía para su obtención, y consume en el proceso 460 kg de carbono, lo que supone entre un 25% y un 30% del precio final del producto, convirtiendo al aluminio en uno de los metales más caros de obtener. De hecho, se están buscando procesos alternativos menos costosos que el proceso electrolítico.11 El aluminio obtenido tiene un pureza del 99,5% al 99,9%, siendo las impurezas de hierro y silicio principalmente.12 De las cubas pasa al horno donde es purificado mediante la adición de un fundente o se alea con otros metales con objeto de obtener materiales con propiedades específicas. Después se vierte en moldes o se hacen lingotes o chapas.

Producción

El aluminio comercial se obtiene a partir de la bauxita, la cual regularmente puede ser encontrada en minas de depósito abierto, para lograr uniformidad en el material se tritura y con agua a presión se lava para eliminar otros materiales y sustancias orgánicas. Posteriormente el material se refina para obtener la alúmina, lo que ya es un material comercial de aluminio con el que se pueden obtener lingotes por medio del proceso de fundición.
También existe el proceso de producción de aluminio llamado Bayer, el cual consiste en:
  • 1. La bauxita después de haber sido pulverizada y obtenida de los procesos de espumado se carga a un digestor el que contiene una solución de sosa cáustica bajo presión y a alta temperatura.
  • 2. Producto del digestor se forma aluminato de sodio que es soluble en el licor generado.
  • 3. Los sólidos insolubles como hierro, silicio, titanio y otras impurezas son filtrados y el licor con la alúmina se bombea a depósitos llamados precipitadores.
  • 4. En los precipitaderos se agregan uno cristales finos de hidróxido de aluminio, estos cristales se hacen circular por entre el licor concentrado para que sirvan de simientes, van creciendo en dimensiones a medida que el hidróxido de aluminio se separa del licor.
  • 5. El hidróxido de aluminio que se adhirió a los cristales se calcina en hornos que operan por arriba de los 900ºC. Esto convierte a la alúmina en un producto de alta calidad para la fusión y obtención de aluminio de buena calidad.
  • 6. La alúmina producto de los hornos de calcinado es procesada en tinas electrolíticas llamadas celdas reductoras. Estas tinas funcionan con un baño de ciolita (fluoruro de aluminio sódico), el ánodo es un electrodo de carbón y el cátodo es la misma tina. En estas tinas se obtiene el aluminio metálico.
  • 7. El aluminio obtenido de las celdas reductoras es moldeado y procesado en hornos de concentración para la obtención de aluminio de alta calidad.
Para la producción de cada kilogramo de aluminio se requiere 2 kg de alúmina, los que son producto de 4 kg de bauxita y 8 kwh de electricidad.
La producción mundial de aluminio ha experimentado un rápido crecimiento, aunque se estabilizó a partir de 1980. En 1900 esta producción era de 7.300 toneladas, en 1938 de 598.000 toneladas y en 1998 la producción de aluminio primario fue de unos 22.700 millones de toneladas. Los principales países productores son Estados Unidos, Rusia, Canadá, China y Australia.
A continuación se nuestra una tabla con los porcentajes de producción de algunos de los países productores de aluminio más importantes:

ALEACIONES

El aluminio puro es un material blando y poco resistente a la tracción. Para mejorar estas propiedades mecánicas se alea con otros elementos, principalmente magnesio, manganeso, cobre, zinc y silicio, a veces se añade también titanio y cromo. La primera aleación de aluminio, el popular duraluminio fue descubierta casualmente por el metalúrgico alemán Alfred Wilm y su principal aleante era el cobre. Actualmente las aleaciones de aluminio se clasifican en series, desde la 1000 a la 8000, según el siguiente cuadro.

El aluminio y sus aleaciones

A pesar de que el aluminio puro es un material poco usado se da la paradoja de que  las  aleaciones  de  este  material  son ampliamente  usadas  en  una grandísima variedad de aplicaciones tanto a nivel industrial como a otros niveles. Por ello pasamos a ver su clasificación, estados y designaciones más comunes:

Clasificación por su proceso

  • Aluminios forjados
  • Aluminios fundidos

Clasificación por su estado

F: Estado bruto. Es el material tal como sale del proceso de fabricación.
O: Recocido. Se aplica a materiales ya sea de forja como de fundición que han sufrido un recocido completo.
O1: Recocido  a  elevada  temperatura  y  enfriamiento  lento.
O2: Sometido  a  tratamiento  termomecánico.  
O3: Homogeneizado. Esta designación se aplica a los alambrones y a las bandas de colada continua, que son sometidos a un tratamiento de difusión a alta temperatura.  
W: Solución tratada térmicamente. Se aplica a materiales que después de recibir un tratamiento térmico quedan con una estructura inestable y sufren envejecimiento natural.
H: Estado de Acritud. Viene con materiales a los que se ha realizado un endurecimiento por deformación.
H1. Endurecido por deformación hasta obtener el nivel deseado y sin tratamiento posterior.    
H2.  Endurecido en exceso por  deformación  y  recocido  parcial par recuperar suavidad sin perder ductilidad.
H3.  Acritud  y  estabilizado.  
H4. Acritud y lacado o pintado. Son aleaciones endurecidas en frio y que pueden sufrir un cierto recocido en el tratamiento de curado de la capa de pintura o laca dada.      7En ésta clasificación se usa un segundo dígito (en ocasiones es necesario un tercer dígito) que indica el grado de endurecimiento por deformación.
T: Denomina a materiales que has sido endurecidos por tratamiento térmico con o sin endurecimiento por deformación posterior. Las designaciones de W y T solo se aplican a aleaciones de aluminio ya de forja o de fundición que sea termotratables.  
T1: Enfriado   desde   un   proceso   de   fabricación   realizado   a   una   elevada temperatura    y    envejecido    de    forma    natural.
T2: Enfriado  desde  un  proceso  de  fabricación  realizado  a  una  alta  temperatura, trabajado   en   frío   y   envejecido   de   forma   natural.
T3: Solución  tratada  térmicamente,  trabajada  en  frío  y  envejecida  a  Tamb  hasta alcanzar una condición estable.
T4: Solución  tratada  térmicamente  y  envejecida  a  Tamb  hasta  alcanzar  una condición estable. Es un tratamiento similar a T3 pero sin el trabajo en frío.
T5: Enfriado   desde   un   proceso   de   fabricación   a   alta   temperatura   y   envejecida artificialmente.
T6: Solución  tratada  térmicamente  y  envejecida  artificialmente.  Son  designados de  esta  forma  los  productos  que  después  de  un  proceso  de  conformado  a  alta temperatura (moldeo o extrusión) no son endurecidos en frío sino que sufren un envejecimiento artificial.
T7: Solución   tratada   térmicamente   y   sobre envejecida   para   su   completa estabilización.
T8: Térmicamente   tratada   por   disolución,   trabajada   en   frío   y   envejecida artificialmente.
T9: Solución tratada térmicamente, envejecida artificialmente y trabajada en frío.
T10: Enfriado   desde   un   proceso   de   fabricación   realizado   a   una   elevada temperatura,  trabajado  en  frío  y  envejecido  artificialmente  hasta  una  condición sustancialmente estable.
Existen variantes del estado T, a estas variantes se les añaden a la T dos dígitos. Estos  dos  dígitos  son  específicos  para  cada  producto  y  se  usan  para  estado  de alivio de tensiones en productos fabricados mediante el proceso de forja.
 Series de aluminios según sus aleantes
Las aleaciones de aluminio (tanto las forjadas como las moldeadas) se clasifican en  función  del  elemento  aleante  usado  (al  menos  el  que  esté  en  mayor proporción).  Los  elementos  aleantes  más  usados  son: 
SERIE 2xxx. En  estas  aleaciones  el  principal  elemento  aleante  es  el  Cu,  pero  a  veces tambien  se  le  añade  Mg.  Las  características  de  esta  serie  son: buena relación dureza-peso y mala resistencia a la corrosión. En lo referente a la primera característica decir que algunas de las aleaciones de esta serie tienen que ser sometidas a TT de solubilidad y a veces de envejecimiento para mejorar sus  propiedades  mecánicas.  Una  vez  hecho  esto  la  serie  2xxx  tiene  unas propiedades  mecánicas  que  son  del  orden  y,  a  veces  superiores,  que  las  de  los
aceros bajos en carbono. El efecto de los TT es el aumento de la dureza con una bajada de la elongación.
 En  lo  referente  a  la  segunda  característica  estas  aleaciones  generalmente  son galvanizadas con aluminio de alta pureza o con aleaciones de la serie 6xxx para protegerlas de la corrosión y que no se produzca corrosión intergranular. 
Los usos más frecuentes que se le dan a estos aluminios son (generalmente son usados  en  lugares  donde  sea  necesario  una  alta  relación  dureza-peso)  en  las ruedas de los camiones y de los aviones, en la suspensión de los camiones, en   estructuras   que   requieran   buena   dureza   a temperaturas superiores a 150 ºc.
Para finalizar decir que salvo la aleación 2219 estas  aleaciones  tienen  una  mala  soldabilidad  pero  una  maquinabilidad  muy buena.    
Seri 3xxx.
En  estas  aleaciones  el  principal  elemento  aleante  es  el  Mn.   Estas aleaciones  tan  solo  tienen  un  20%  ms  de  dureza  que  el  aluminio  puro.  Eso  es porque  el  Mn  solo  puede  añadirse  de  forma  efectiva  en  solo  un  1.5%. Por ello hay muy pocas aleaciones de esta serie. Sin embargo los aluminios 3003, 3×04 y 3105 son muy usados para fabricar utensilios que necesiten dureza media y que sea necesario buena trabajabilidad para fabricarlos como son botellas para bebidas,  utensilios  de  cocina,  intercambiadores  de  calor,  mobiliario,  señales  de tráfico, tejados y otras aplicaciones arquitectónicas.    
Serie 4xxx.
En  esta  serie  el  principal  elemento  aleante  es  el  Si  que  suele  añadirse  en cantidades  medianamente  elevadas  (por  encima  del  12%)  para  conseguir  una bajada del rango de fusión de la aleación.
Estas  aleaciones  en  principio  no  son tratables  térmicamente  pero  si  son  usadas  en soldadura  para  soldar  otra aleaciones  que  son  tratables  térmicamente  parte  de  los  elementos  aleantes  de las  aleaciones  tratables  térmicamente  pasan  a  la  serie  4xxx  y  convierten  una parte de la aleación en tratable térmicamente.  Las aleaciones con un elevado nivel de Si tienen un rango de colores que van desde  el  gris  oscuro  al  color  carbón  y  por  ello  están  siendo  demandadas  en aplicaciones  arquitectónicas.  La  4032  tiene  un  bajo  coeficiente  de  expansión térmica y una alta resistencia al desgaste lo que la hace bien situada para su uso en la fabricación de pistones de motores.    

Serie 5xxx.  
Esta serie usa como principal elemento aleante el Mg y a veces también se añaden pequeñas cantidades de Mn cuyo objetivo es el de endurecer el aluminio.  El  Mg  es  un  elemento  que  endurece  más  el  aluminio  que  el Mn (un 0.8 de Mg produce el mismo efecto que un 1.25 de Mn) y además se puede añadir más cantidad de Mg que de Mn.  Las principales características de estas aleaciones son una media a alta dureza por endurecimiento por deformación, buena soldabilidad, buena resistencia a la corrosión en ambiento marino y una baja capacidad de trabajo en frío.  Estas   características   hacen   que   estas   aleaciones   se   usen   para   adornos decorativos,  y  arquitectónicos,  en  el  hogar,  iluminación  de  las calles y carreteras, botes, barcos y tanques criogénicos, partes de puentes grúa y estructuras de automóviles.    
Serie 6xxx.  
En estas aleaciones se usan como elementos aleantes el Mg y el Si en proporciones  adecuadas  para  que    se  forme  el  Mg2Si.    
Esto  hace  que  esta aleación sea tratable térmicamente, estas aleaciones son menos resitentes que el resto de aleaciones, a cambio tiene también  formalidad,  soldabilidad,  maquinabilidad  y  resistencia  a  la  corrosión. 
Serie 7xxx. 
 El Zn añadido en proporciones que van desde el 1 al 8 % es el elemento aleante en   mayor   proporción   en   estas   aleaciones.   A   veces   se   añaden   pequeñas cantidades de Mg para hacer la aleación tratable termicamente. Tambien es  normal  añadir  otros elementos  aleantes como  Cu  o  Cr en pequeñas cantidades. Debido a que la principal propiedad de estas aleaciones es su alta dureza se suele usar en las estructuras de los aviones, equipos móviles y otras partes altamente forzadas. Debido  a  que  esta  serie  muestra  una  muy  baja  resistencia  a la corrosión  bajo  tensión  se  le  suele  aplicar  levemente  un  TT  para  conseguir  una mejor mezcla de propiedades.




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