Una aleación de aluminio ( UK / IUPAC ) o aleación de aluminio ( NA ; ver diferencias ortográficas ) es una aleación en la que el aluminio (Al) es el metal predominante. Los elementos de aleación típicos son cobre , magnesio , manganeso , silicio , estaño , níquel y zinc . Hay dos clasificaciones principales, a saber, aleaciones de fundición y aleaciones forjadas, las cuales se subdividen en categorías tratables térmicamente y no tratables térmicamente. Aproximadamente el 85% del aluminio se utiliza para productos forjados, por ejemplo chapas laminadas, láminas y extrusiones . Las aleaciones de aluminio fundido producen productos rentables debido al bajo punto de fusión, aunque generalmente tienen menor resistencia a la tracción que las aleaciones forjadas. El sistema de aleación de aluminio fundido más importante es el Al-Si , donde los altos niveles de silicio (4-13%) contribuyen a dar buenas características de fundición. Las aleaciones de aluminio se utilizan ampliamente en estructuras y componentes de ingeniería donde se requiere ligereza o resistencia a la corrosión. [1]
Las aleaciones compuestas principalmente de aluminio han sido muy importantes en la fabricación aeroespacial desde la introducción de los aviones con revestimiento metálico. Las aleaciones de aluminio y magnesio son más ligeras que otras aleaciones de aluminio y mucho menos inflamables que otras aleaciones que contienen un porcentaje muy alto de magnesio. [2]
Las superficies de aleación de aluminio desarrollarán una capa protectora blanca de óxido de aluminio si se dejan sin protección mediante anodizado y/o procedimientos de pintura correctos. En un ambiente húmedo, la corrosión galvánica puede ocurrir cuando una aleación de aluminio se pone en contacto eléctrico con otros metales con potenciales de corrosión más positivos que el aluminio, y hay un electrolito presente que permite el intercambio iónico. También conocida como corrosión de metales diferentes, este proceso puede ocurrir como exfoliación o corrosión intergranular. Las aleaciones de aluminio pueden recibir un tratamiento térmico inadecuado, lo que provoca la separación de los elementos internos, lo que corroe el metal de adentro hacia afuera. [ cita necesaria ]
Las composiciones de aleaciones de aluminio están registradas en la Asociación del Aluminio . Muchas organizaciones publican normas más específicas para la fabricación de aleaciones de aluminio, incluida la organización de normas SAE International , específicamente sus subgrupos de normas aeroespaciales, [3] y ASTM International .
En estructuras de ingeniería se utilizan aleaciones de aluminio con una amplia gama de propiedades. Los sistemas de aleaciones se clasifican mediante un sistema numérico ( ANSI ) o mediante nombres que indican sus principales constituyentes de aleación ( DIN e ISO ). Seleccionar la aleación adecuada para una aplicación determinada implica consideraciones sobre su resistencia a la tracción , densidad , ductilidad , conformabilidad, trabajabilidad, soldabilidad y resistencia a la corrosión , por nombrar algunas. En la referencia se ofrece una breve descripción histórica de las aleaciones y las tecnologías de fabricación. [4] Las aleaciones de aluminio se utilizan ampliamente en aviones debido a su alta relación resistencia-peso . El metal de aluminio puro es demasiado blando para tales usos y no tiene la alta resistencia a la tracción que se necesita para construir aviones y helicópteros .
Las aleaciones de aluminio suelen tener un módulo elástico de aproximadamente 70 GPa , que es aproximadamente un tercio del módulo elástico de las aleaciones de acero . Por lo tanto, para una carga dada, un componente o unidad hecha de una aleación de aluminio experimentará una mayor deformación en el régimen elástico que una pieza de acero de idéntico tamaño y forma. En el caso de productos metálicos completamente nuevos, las elecciones de diseño suelen estar gobernadas por la elección de la tecnología de fabricación. Las extrusiones son particularmente importantes a este respecto, debido a la facilidad con la que las aleaciones de aluminio, particularmente la serie Al-Mg-Si, pueden extruirse para formar perfiles complejos.
En general, se pueden lograr diseños más rígidos y livianos con aleaciones de aluminio que con aceros. Por ejemplo, considere la flexión de un tubo de pared delgada: el segundo momento de área está inversamente relacionado con la tensión en la pared del tubo, es decir, las tensiones son menores para valores mayores. El segundo momento del área es proporcional al cubo del radio multiplicado por el espesor de la pared, por lo que aumentar el radio (y el peso) en un 26% reducirá a la mitad la tensión de la pared. Por esta razón, los cuadros de bicicleta fabricados con aleaciones de aluminio utilizan diámetros de tubo mayores que los de acero o titanio para lograr la rigidez y resistencia deseadas. En la ingeniería automotriz, los automóviles fabricados con aleaciones de aluminio emplean estructuras espaciales hechas de perfiles extruidos para garantizar la rigidez. Esto representa un cambio radical con respecto al enfoque común para el diseño actual de automóviles de acero, que dependen de la rigidez de la carrocería, conocido como diseño unibody .
Las aleaciones de aluminio se utilizan ampliamente en motores de automóviles, particularmente en bloques de motor y cárteres debido al posible ahorro de peso. Dado que las aleaciones de aluminio son susceptibles a deformarse a temperaturas elevadas, el sistema de refrigeración de dichos motores es fundamental. Las técnicas de fabricación y los avances metalúrgicos también han sido fundamentales para su aplicación exitosa en motores de automóviles. En la década de 1960, las culatas de aluminio del Chevrolet Corvair se ganaron una reputación de fallas y deshilachados , algo que no se ve en las culatas de aluminio actuales.
Una limitación estructural importante de las aleaciones de aluminio es su menor resistencia a la fatiga en comparación con el acero. En condiciones controladas de laboratorio, los aceros muestran un límite de fatiga , que es la amplitud de la tensión por debajo de la cual no se producen fallas: el metal no continúa debilitándose con ciclos de tensión prolongados. Las aleaciones de aluminio no tienen este límite inferior de fatiga y seguirán debilitándose con ciclos de tensión continuos. Por lo tanto, las aleaciones de aluminio se utilizan escasamente en piezas que requieren una alta resistencia a la fatiga en el régimen de ciclos altos (más de 10 7 ciclos de tensión).
A menudo, también se debe considerar la sensibilidad del metal al calor. Incluso un procedimiento de taller relativamente rutinario que implica calentamiento se complica por el hecho de que el aluminio, a diferencia del acero, se funde sin antes ponerse rojo. Las operaciones de formado en las que se utiliza un soplete pueden revertir o eliminar los efectos del tratamiento térmico. Ninguna señal visual revela cómo el material está dañado internamente. Al igual que en la soldadura de cadenas de eslabones de alta resistencia tratadas térmicamente, ahora toda la fuerza se pierde por el calor del soplete. La cadena es peligrosa y debe desecharse. [ cita necesaria ]
El aluminio está sujeto a tensiones y tensiones internas. A veces, años después, los cuadros de bicicleta de aluminio mal soldados pueden desalinearse gradualmente debido a las tensiones del proceso de soldadura. Así, la industria aeroespacial evita por completo el calor uniendo piezas con remaches de composición metálica similar, otros sujetadores o adhesivos.
Las tensiones en el aluminio sobrecalentado se pueden aliviar tratando térmicamente las piezas en un horno y enfriándolas gradualmente; de hecho, recociendo las tensiones. Sin embargo, estas piezas aún pueden distorsionarse, de modo que el tratamiento térmico de cuadros de bicicleta soldados, por ejemplo, puede provocar que una fracción significativa quede desalineada. Si la desalineación no es demasiado severa, las piezas enfriadas pueden estar dobladas para alinearse. Si el marco está diseñado adecuadamente para que tenga rigidez (ver arriba), esa flexión requerirá una fuerza enorme. [ cita necesaria ]
La intolerancia del aluminio a las altas temperaturas no ha impedido su uso en cohetes; incluso para su uso en la construcción de cámaras de combustión donde los gases pueden alcanzar los 3500 K. El motor de etapa superior RM-81 Agena utilizó un diseño de aluminio enfriado regenerativamente para algunas partes de la boquilla, incluida la región de la garganta térmicamente crítica; de hecho, la conductividad térmica extremadamente alta del aluminio impidió que la garganta alcanzara el punto de fusión incluso bajo un flujo de calor masivo, lo que dio como resultado un componente liviano y confiable.
Debido a su alta conductividad y precio relativamente bajo en comparación con el cobre en la década de 1960, el aluminio se introdujo en ese momento para el cableado eléctrico doméstico en América del Norte, a pesar de que muchos accesorios no habían sido diseñados para aceptar alambre de aluminio. Pero el nuevo uso trajo algunos problemas:
Todo esto provocó conexiones flojas y sobrecalentadas, lo que a su vez provocó algunos incendios. Luego, los constructores desconfiaron del uso del cable y muchas jurisdicciones prohibieron su uso en tamaños muy pequeños en construcciones nuevas. Sin embargo, finalmente se introdujeron accesorios más nuevos con conexiones diseñadas para evitar el aflojamiento y el sobrecalentamiento. Al principio estaban marcados como "Al/Cu", pero ahora llevan el código "CO/ALR".
Otra forma de prevenir el problema del calentamiento es engarzar la " coleta " corta de alambre de cobre. Un engarce de alta presión realizado correctamente con la herramienta adecuada es lo suficientemente apretado como para reducir cualquier expansión térmica del aluminio. Hoy en día, se utilizan nuevas aleaciones, diseños y métodos para el cableado de aluminio en combinación con terminaciones de aluminio.
Las aleaciones de aluminio forjado y fundido utilizan diferentes sistemas de identificación. El aluminio forjado se identifica con un número de cuatro dígitos que identifica los elementos de aleación.
Las aleaciones de aluminio fundido utilizan un número de cuatro a cinco dígitos con un punto decimal. El dígito en el lugar de las centenas indica los elementos de aleación, mientras que el dígito después del punto decimal indica la forma (forma fundida o lingote).
La designación del temple sigue al número de designación fundido o forjado con un guión, una letra y, potencialmente, un número de uno a tres dígitos, por ejemplo, 6061-T6. Las definiciones de los temperamentos son: [5] [6]
-F : Tal como se fabrica
-H : Endurecido por deformación (trabajado en frío) con o sin tratamiento térmico
-O : Totalmente blando (recocido)
-T : Tratado térmicamente para producir temples estables
-W : solución tratada térmicamente únicamente
Nota: -W es una designación intermedia relativamente suave que se aplica después del tratamiento térmico y antes de que se complete el envejecimiento. La condición -W se puede extender a temperaturas extremadamente bajas, pero no indefinidamente y, según el material, normalmente no durará más de 15 minutos a temperatura ambiente.
El Sistema Internacional de Designación de Aleaciones es el esquema de denominación más aceptado para las aleaciones forjadas. A cada aleación se le asigna un número de cuatro dígitos, donde el primer dígito indica los elementos principales de la aleación, el segundo (si es diferente de 0) indica una variación de la aleación y el tercer y cuarto dígitos identifican la aleación específica de la serie. Por ejemplo, en la aleación 3105, el número 3 indica que la aleación está en la serie de manganeso, 1 indica la primera modificación de la aleación 3005 y finalmente 05 la identifica en la serie 3000. [7]
La serie 1000 es esencialmente aluminio puro con un contenido mínimo de aluminio del 99 % en peso y puede endurecerse por trabajo .
# No es un nombre del Sistema Internacional de Designación de Aleaciones
La serie 2000 está aleada con cobre y puede endurecerse por precipitación hasta obtener resistencias comparables a las del acero. Anteriormente conocidas como duraluminio , alguna vez fueron las aleaciones aeroespaciales más comunes, pero eran susceptibles al agrietamiento por corrosión bajo tensión y son reemplazadas cada vez más por la serie 7000 en nuevos diseños.
La serie 3000 está aleada con manganeso y puede endurecerse por trabajo .
La serie 4000 está aleada con silicio. Las variaciones de aleaciones de aluminio y silicio destinadas a la fundición (y, por tanto, no incluidas en la serie 4000) también se conocen como silumin .
La serie 5000 está aleada con magnesio y ofrece una excelente resistencia a la corrosión, lo que la hace adecuada para aplicaciones marinas. La aleación 5083 tiene la mayor resistencia de las aleaciones no tratadas térmicamente. La mayoría de las aleaciones de la serie 5000 también incluyen manganeso .
La serie 6000 está aleada con magnesio y silicio. Son fáciles de mecanizar, soldables y pueden endurecerse por precipitación, pero no hasta las altas resistencias que pueden alcanzar 2000 y 7000. La aleación 6061 es una de las aleaciones de aluminio de uso general más utilizadas.
La serie 7000 está aleada con zinc y puede endurecerse por precipitación hasta alcanzar las resistencias más altas de cualquier aleación de aluminio. La mayoría de las aleaciones de la serie 7000 también incluyen magnesio y cobre.
La serie 8000 está aleada con otros elementos que no están cubiertos por otras series. Un ejemplo son las aleaciones de aluminio y litio . [45]
La Asociación del Aluminio (AA) ha adoptado una nomenclatura similar a la de las aleaciones forjadas. La norma británica y DIN tienen designaciones diferentes. En el sistema AA, los dos segundos dígitos revelan el porcentaje mínimo de aluminio, por ejemplo 150.x corresponden a un mínimo de 99,50% de aluminio. El dígito después del punto decimal toma un valor de 0 o 1, lo que indica fundición y lingote respectivamente. [1] Los principales elementos de aleación en el sistema AA son los siguientes: [51]
Las aleaciones de titanio , que son más resistentes pero más pesadas que las aleaciones de Al-Sc, siguen siendo mucho más utilizadas. [55]
La principal aplicación del escandio metálico por peso es en aleaciones de aluminio y escandio para componentes menores de la industria aeroespacial. Estas aleaciones contienen entre 0,1% y 0,5% (en peso) de escandio. Fueron utilizados en los aviones militares rusos MiG-21 y MiG-29 . [54]
Algunos artículos de equipamiento deportivo, que dependen de materiales de alto rendimiento, se han fabricado con aleaciones de escandio y aluminio, incluidos bates de béisbol , [56] palos de lacrosse , así como cuadros y componentes de bicicletas [57] y postes de tiendas de campaña.
El fabricante de armas estadounidense Smith & Wesson produce revólveres con armazones compuestos de aleación de escandio y cilindros de titanio. [58]
Debido a su peso ligero y alta resistencia, las aleaciones de aluminio son materiales deseados para su aplicación en naves espaciales, satélites y otros componentes que se desplegarán en el espacio. Sin embargo, esta aplicación está limitada por la irradiación de partículas energéticas emitidas por el Sol . El impacto y la deposición de partículas de energía solar dentro de la microestructura de las aleaciones de aluminio convencionales pueden inducir la disolución de las fases de endurecimiento más comunes, lo que lleva al ablandamiento. Las aleaciones cruzadas de aluminio introducidas recientemente [59] [60] se están probando como sustitutos de las series 6xxx y 7xxx en entornos donde la irradiación de partículas energéticas es una preocupación importante. Estas aleaciones de aluminio cruzadas se pueden endurecer mediante precipitación de una fase compleja química conocida como fase T en la que se ha demostrado que la resistencia a la radiación es superior a la de otras fases de endurecimiento de las aleaciones de aluminio convencionales. [61] [62]
Las siguientes aleaciones de aluminio se utilizan comúnmente en aviones y otras estructuras aeroespaciales : [63] [64]
Tenga en cuenta que el término aluminio para aviones o aluminio aeroespacial generalmente se refiere al 7075. [65] [66]
El aluminio 4047 es una aleación única que se utiliza tanto en aplicaciones aeroespaciales como automotrices como aleación de revestimiento o material de relleno. Como relleno, las tiras de aleación de aluminio 4047 se pueden combinar en aplicaciones complejas para unir dos metales. [67]
6951 es una aleación tratable térmicamente que proporciona resistencia adicional a las aletas y al mismo tiempo aumenta la resistencia al pandeo; esto permite al fabricante reducir el calibre de la lámina y por tanto reducir el peso de la aleta formada. Estas características distintivas hacen de la aleación de aluminio 6951 una de las aleaciones preferidas para la transferencia de calor y los intercambiadores de calor fabricados para aplicaciones aeroespaciales. [68]
Las aleaciones de aluminio 6063 se pueden tratar térmicamente con una resistencia moderadamente alta, una excelente resistencia a la corrosión y una buena extrudabilidad. Se utilizan habitualmente como miembros arquitectónicos y estructurales. [69]
Actualmente se produce la siguiente lista de aleaciones de aluminio, [ cita necesaria ] pero se utiliza menos [ cita necesaria ] :
Estas aleaciones se utilizan para la construcción de embarcaciones y barcos, y otras aplicaciones costeras marinas y sensibles al agua salada. [70]
4043, 5183, 6005A, 6082 también se utilizan en construcciones marinas y aplicaciones costa afuera.
El aluminio 6111 y la aleación de aluminio 2008 se utilizan ampliamente para los paneles externos de la carrocería de automóviles , mientras que el 5083 y el 5754 se utilizan para los paneles internos de la carrocería. Los capós se han fabricado con aleaciones 2036, 6016 y 6111. Los paneles de carrocería de camiones y remolques han utilizado aluminio 5456 .
Los marcos de los automóviles suelen utilizar láminas formadas de aluminio 5182 o aluminio 5754 , y extrusiones 6061 o 6063 .
Las ruedas han sido fundidas en aluminio A356.0 o en chapa formada 5xxx. [71]
Los bloques de motor y los cárteres suelen estar fabricados con aleaciones de aluminio. Las aleaciones de aluminio más populares utilizadas para los bloques de cilindros son A356, 319 y, en menor medida, 242.
Se están desarrollando e implementando aleaciones de aluminio que contienen cerio en aplicaciones automotrices de alta temperatura, como culatas y turbocompresores , y en otras aplicaciones de generación de energía. [72] Estas aleaciones se desarrollaron inicialmente como una forma de aumentar el uso de cerio, que se produce en exceso en las operaciones mineras de tierras raras para elementos más codiciados como el neodimio y el disprosio , [73] pero ganaron atención por su resistencia a altas temperaturas. temperaturas durante largos periodos de tiempo. [74] Obtiene su resistencia gracias a la presencia de una fase intermetálica Al 11 Ce 3 que es estable hasta temperaturas de 540 °C y conserva su resistencia hasta 300 °C, lo que lo hace bastante viable a temperaturas elevadas. Las aleaciones de aluminio y cerio suelen ser fundidas debido a sus excelentes propiedades de fundición, aunque también se ha trabajado para demostrar que las técnicas de fabricación aditiva basadas en láser también se pueden utilizar para crear piezas con geometrías más complejas y mayores propiedades mecánicas. [75] El trabajo reciente se ha centrado en gran medida en agregar elementos de aleación de orden superior al sistema binario Al-Ce para mejorar su rendimiento mecánico a temperaturas ambiente y elevadas, como hierro , níquel , magnesio o cobre , y se está trabajando para comprender mejor las interacciones de los elementos de aleación. [76]
El aluminio 6061 y el aluminio 6351 se utilizan ampliamente en cilindros de gas respirable para buceo y aleaciones SCBA . [77]
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: DOI inactivo a partir de enero de 2024 ( enlace )