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*
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.
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
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.
0 comentarios:
Publicar un comentario