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 las categorías tratables térmicamente y no tratables térmicamente. Alrededor del 85% del aluminio se utiliza para productos forjados, por ejemplo, placas laminadas, láminas y extrusiones . Las aleaciones de aluminio fundido producen productos rentables debido al bajo punto de fusión, aunque generalmente tienen resistencias a la tracción más bajas que las aleaciones forjadas. El sistema de aleación de aluminio fundido más importante es 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 de ingeniería y componentes donde se requiere peso ligero 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 no se protegen con procedimientos de anodizado o pintura correctos. En un entorno húmedo, puede producirse corrosión galvánica 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 de iones. Este proceso, también conocido como corrosión de metales diferentes, puede producirse como exfoliación o como corrosión intergranular. Las aleaciones de aluminio pueden recibir un tratamiento térmico inadecuado, lo que provoca la separación de elementos internos que corroen el metal de adentro hacia afuera. [ cita requerida ]
Las composiciones de aleación 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 .
Las aleaciones de aluminio con una amplia gama de propiedades se utilizan en estructuras de ingeniería. Los sistemas de aleación se clasifican por un sistema numérico ( ANSI ) o por nombres que indican sus principales constituyentes de aleación ( DIN e ISO ). La selección de la aleación adecuada para una aplicación determinada implica consideraciones de su resistencia a la tracción , densidad , ductilidad , formabilidad, 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 aeronaves debido a su alta relación resistencia-peso . El 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 unos 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 tamaño y forma idénticos. Con productos metálicos completamente nuevos, las opciones de diseño a menudo están regidas por la elección de la tecnología de fabricación. Las extrusiones son particularmente importantes en este sentido, debido a la facilidad con la que las aleaciones de aluminio, en particular la serie Al-Mg-Si, se pueden extruir para formar perfiles complejos.
En general, con las aleaciones de aluminio se pueden lograr diseños más rígidos y ligeros que con los 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 de área es proporcional al cubo del radio por el espesor de la pared, por lo que aumentar el radio (y el peso) en un 26% conducirá a una reducción a la mitad de la tensión de la pared. Por esta razón, los cuadros de bicicleta hechos de aleaciones de aluminio utilizan diámetros de tubo más grandes que el acero o el titanio para lograr la rigidez y la resistencia deseadas. En ingeniería automotriz, los automóviles hechos de aleaciones de aluminio emplean marcos espaciales hechos 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 las carcasas de la carrocería para la rigidez, conocido como diseño monocasco .
Las aleaciones de aluminio se utilizan ampliamente en motores de automóviles, en particular en bloques de motor y cárteres , debido al ahorro de peso que se puede conseguir. Dado que las aleaciones de aluminio son susceptibles de 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 la reputación de fallar y desgastar las roscas , algo que no se observa 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 presentan un límite de fatiga , que es la amplitud de tensión por debajo de la cual no se producen fallos: el metal no continúa debilitándose con ciclos de tensión prolongados. Las aleaciones de aluminio no tienen este límite de fatiga inferior y continuarán 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 alto ciclo (más de 10 7 ciclos de tensión).
A menudo, también hay que tener en cuenta la sensibilidad del metal al calor. Incluso un procedimiento de taller relativamente rutinario que implique el calentamiento se complica por el hecho de que el aluminio, a diferencia del acero, se derrite sin ponerse rojo intenso primero. Las operaciones de conformado en las que se utiliza un soplete pueden revertir o eliminar los efectos del tratamiento térmico. No hay señales visuales que revelen cómo se daña internamente el material. Al igual que ocurre con la cadena de eslabones de alta resistencia tratada térmicamente con soldadura, ahora se pierde toda la resistencia por el calor del soplete. La cadena es peligrosa y debe desecharse. [ cita requerida ]
El aluminio está sujeto a tensiones y deformaciones internas. A veces, años después, los cuadros de bicicleta de aluminio soldados incorrectamente pueden deformarse gradualmente debido a las tensiones del proceso de soldadura. Por ello, la industria aeroespacial evita por completo el calor uniendo las piezas con remaches de una composición metálica similar, otros elementos de fijación o adhesivos.
Las tensiones en el aluminio sobrecalentado se pueden aliviar mediante el tratamiento térmico de las piezas en un horno y su enfriamiento gradual, lo que en realidad es un recocido de las tensiones. Sin embargo, estas piezas pueden deformarse, de modo que el tratamiento térmico de los cuadros de bicicleta soldados, por ejemplo, puede provocar que una parte importante de ellos se desalinee. Si la desalineación no es demasiado grave, las piezas enfriadas se pueden doblar para alinearlas. Si el cuadro está diseñado correctamente para la rigidez (véase más arriba), esa flexión requerirá una fuerza enorme. [ cita requerida ]
La intolerancia del aluminio a las altas temperaturas no ha impedido su uso en cohetería; 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, crítica térmicamente; de hecho, la conductividad térmica extremadamente alta del aluminio evitó que la garganta alcanzara el punto de fusión incluso bajo un flujo de calor masivo, lo que resultó en un componente confiable y liviano.
Debido a su alta conductividad y a su 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 artefactos no habían sido diseñados para aceptar cables de aluminio. Pero el nuevo uso trajo consigo algunos problemas:
Todo esto dio lugar a conexiones sueltas y sobrecalentadas, lo que a su vez provocó algunos incendios. Los constructores comenzaron a tener cuidado con el uso de este cable y muchas jurisdicciones prohibieron su uso en tamaños muy pequeños en las construcciones nuevas. Sin embargo, con el tiempo 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 un código "CO/ALR".
Otra forma de prevenir el problema del calentamiento es engarzar el " coletazo " corto del cable de cobre. Un engarce a alta presión realizado correctamente con la herramienta adecuada es lo suficientemente ajustado 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 va seguida del número de designación de fundición o forjado con un guión, una letra y, potencialmente, un número de uno a tres dígitos, p. ej., 6061-T6. Las definiciones de los temples 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 : Solo solución tratada térmicamente
Nota: -W es una designación intermedia relativamente blanda 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 ampliamente aceptado para las aleaciones forjadas. A cada aleación se le asigna un número de cuatro dígitos, donde el primer dígito indica los principales elementos de aleación, el segundo (si es diferente de 0) indica una variación de la aleación y el tercer y cuarto dígitos identifican la aleación específica en la serie. Por ejemplo, en la aleación 3105, el número 3 indica que la aleación está en la serie del manganeso, 1 indica la primera modificación de la aleación 3005 y, finalmente, 05 la identifica en la serie 3000. [7]
Las series 1000 son esencialmente aluminio puro con un contenido mínimo de aluminio del 99 % en peso y pueden endurecerse por trabajo .
# No es un nombre del Sistema Internacional de Designación de Aleaciones
La serie 2000 está aliada con cobre y se puede endurecer por precipitación hasta alcanzar resistencias comparables a las del acero. Anteriormente conocida como duraluminio , solía ser la aleación más común para uso aeroespacial, pero era susceptible al agrietamiento por corrosión bajo tensión y cada vez más se la reemplaza por la serie 7000 en los nuevos diseños.
Las series 3000 están aleadas con manganeso y pueden endurecerse por trabajo .
Las series 4000 están aleadas con silicio. Las variantes de aleaciones de aluminio y silicio destinadas a la fundición (y, por lo tanto, no incluidas en la serie 4000) también se conocen como siluminio .
Las aleaciones de la serie 5000 están hechas de magnesio y ofrecen una excelente resistencia a la corrosión, lo que las hace adecuadas 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 .
Las series 6000 están aleadas con magnesio y silicio. Son fáciles de mecanizar, se pueden soldar y se pueden endurecer por precipitación, pero no hasta las altas resistencias que pueden alcanzar las series 2000 y 7000. La aleación 6061 es una de las aleaciones de aluminio de uso general más utilizadas.
Las aleaciones de la serie 7000 están hechas de zinc y pueden endurecerse por precipitación hasta alcanzar las mayores resistencias de cualquier aleación de aluminio. La mayoría de las aleaciones de la serie 7000 también incluyen magnesio y cobre.
Las series 8000 se alean con otros elementos que no están cubiertos por otras series. Las aleaciones de aluminio y litio son un ejemplo. [45]
La Asociación del Aluminio (AA) ha adoptado una nomenclatura similar a la de las aleaciones forjadas. La Norma Británica y la DIN tienen designaciones diferentes. En el sistema AA, los dos segundos dígitos revelan el porcentaje mínimo de aluminio, por ejemplo, 150.x corresponde a un mínimo de 99,50% de aluminio. El dígito después del punto decimal toma un valor de 0 o 1, que denota 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 fuertes pero más pesadas que las aleaciones de Al-Sc, todavía se utilizan mucho más ampliamente. [55]
La principal aplicación del escandio metálico en peso es en aleaciones de aluminio-escandio para componentes menores de la industria aeroespacial. Estas aleaciones contienen entre un 0,1% y un 0,5% (en peso) de escandio. Se utilizaron 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-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 ser aplicados 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 energéticas solares dentro de la microestructura de aleaciones de aluminio convencionales pueden inducir la disolución de las fases de endurecimiento más comunes, lo que lleva al ablandamiento. Las aleaciones de aluminio cruzadas introducidas recientemente [59] [60] se están probando como un sustituto de las series 6xxx y 7xxx en entornos donde la irradiación de partículas energéticas es una preocupación importante. Dichas aleaciones de aluminio cruzadas se pueden endurecer mediante la 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 otras fases de endurecimiento de aleaciones de aluminio convencionales. [61] [62]
Las siguientes aleaciones de aluminio se utilizan comúnmente en aeronaves y otras estructuras aeroespaciales : [63] [64]
Téngase en cuenta que el término aluminio aeronáutico o aluminio aeroespacial generalmente se refiere a 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 para aplicaciones complejas para unir dos metales. [67]
El 6951 es una aleación tratable térmicamente que proporciona una resistencia adicional a las aletas y, al mismo tiempo, aumenta la resistencia a la comba; esto permite al fabricante reducir el calibre de la lámina y, por lo tanto, reducir el peso de la aleta formada. Estas características distintivas hacen que la aleación de aluminio 6951 sea 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 son tratables térmicamente, tienen una resistencia moderadamente alta, una excelente resistencia a la corrosión y una buena capacidad de extrusión. Se utilizan habitualmente como elementos arquitectónicos y estructurales. [69]
La siguiente lista de aleaciones de aluminio se producen actualmente, [ cita requerida ] pero se utilizan menos ampliamente [ cita requerida ] :
Estas aleaciones se utilizan para la construcción de barcos y buques, así como para otras aplicaciones costeras sensibles al agua salada y marina. [70]
4043, 5183, 6005A, 6082 también se utilizan en construcciones marinas y aplicaciones en alta mar.
El aluminio 6111 y la aleación de aluminio 2008 se utilizan ampliamente para los paneles externos de la carrocería de los 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 la carrocería de camiones y remolques han utilizado aluminio 5456 .
Los bastidores de los automóviles suelen utilizar láminas conformadas de aluminio 5182 o 5754 o extrusiones 6061 o 6063 .
Las ruedas se han fabricado a partir de aluminio A356.0 o de chapa 5xxx conformada. [71]
Los bloques de motor y los cárteres suelen estar fabricados con aleaciones de aluminio. Las aleaciones de aluminio más 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 operaciones mineras de tierras raras para elementos más codiciados como el neodimio y el disprosio , [73] pero ganó atención por su resistencia a altas temperaturas durante largos períodos de tiempo. [74] Obtiene su resistencia de 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 la hace bastante viable a temperaturas elevadas. Las aleaciones de aluminio y cerio generalmente se funden, 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] Los trabajos recientes se han centrado principalmente en agregar elementos de aleación de orden superior al sistema binario Al-Ce para mejorar su rendimiento mecánico a temperatura ambiente y elevada, 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 de SCBA . [77]
{{cite book}}: CS1 maint: DOI inactivo a partir de noviembre de 2024 ( enlace )