Download Propiedades mecánicas del aluminio

Aluminio
Gonzalo Ruiz de Asua
Iñigo Martin Lorenzo
Unai Lafragua Ipiña
Michael Quintairos
Indice





Propiedades mecánicas del aluminio
Propiedades quimicas del aluminio
Soldabilidad del Aluminio y sus aleaciones
El Aluminio en la Industria Eléctrica
Blibiografia
Propiedades mecánicas del aluminio:
Las propiedades mecánicas o propiedades de resistencia mecánica sirven en la
mayoría de los casos como base para dictaminar sobre un material metálico, con vistas
a a un fin de aplicación concreto. A continuación se da un resumen de las propiedades
mecánicas más importantes del aluminio según diferentes ensayos.
Dureza:
La dureza es una propiedad que en los metales es especialmente importante,
un metal muy duro es un metal frágil, que rompe fácilmente, y un metal blando es más
resistente a la rotura.
La dureza se mide mediante diferentes ensayos de dureza normalizados y
tabulados, como pueden ser el Brinell o Vickers, siendo por ejemplo el Aluminio (15 y
120 HB), el acero oscila entre (120 y 500 HB) y el vidrio (480 HB).
En cuanto al aluminio, es un metal blando, que es fácilmente deformable y
poco resistente a la penetración.
Resistencia Mecánica:
El aluminio es un metal que reúne una serie de propiedades mecánicas
excelentes dentro del grupo de los metales no férreos, de ahí su elevado uso en la
industria, por ejemplo en la industria de la automoción su uso es cada vez mayor
debido a su baja densidad y sus buenas propiedades mecánicas. Estudios
independientes de mercado indican que, a finales de esta década, serán de aluminio
hasta el 25 % de la carrocería y el 20 % del chasis de los coches.
Las propiedades mecánicas se pueden medir también mediante ensayos como
el de choque, fatiga o tracción, y cuyos resultados están también tabulados y
normalizados.
La densidad del aluminio (2,70 g/cm) es realmente baja comparada con la del
hierro (7,90 g/cm), lo que hace que este metal sea relativamente ligero.
Este metal también es muy dúctil y maleable, lo que hace que el mecanizado
sea sencillo en comparación con otros metales.
Uno de los pocos inconvenientes es su bajo punto de fusión (658 ºC) que no le
permiten trabajar a altas temperaturas si no está aleado con otros metales.
A pesar de todo esto, la buena resistencia mecánica de algunas de sus
aleaciones, incluso a alta temperatura, hace que esté llegando a sustituir a aleaciones
de titanio en el mundo aeronáutico, donde la ligereza unida a la resistencia mecánica
son factores importantísimos.
El aluminio también presenta buena resistencia a la corrosión gracias a la
película de alúmina, que se forma en su superficie de forma espontánea y lo protege
de la corrosión.
Aleaciones:
Serie Designación Aleante principal
Principales compuestos en la aleación
Serie 1000
1XXX 99% al menos de aluminio
Serie 2000
2XXX Cobre (Cu)
Serie 3000
3XXX Manganeso (Mn)
Serie 4000
4XXX Silicio (Si)
Serie 5000
5XXX Magnesio (Mg)
Serie 6000
6XXX
Serie 7000
7XXX Zinc (Zn)
Serie 8000
8XXX Otros elementos
-
Serie 9000
9XXX Serie poco usual
-

-
Al2Cu - Al2CuMg
Al6Mn
Al3Mg2
Magnesio (Mg) y Silicio (Si) Mg2Si
MgZn2
Serie 1000
Posee una gran conductividad térmica y eléctrica y una excelente actitud a las
deformaciones. Sus características mecánicas son relativamente bajas. Su utilización
está muy extendida: industria eléctrica, química, petroquímica, edificación,
decoración, menaje, etc...

Serie 2000:
Incrementa las propiedades mecánicas pero reduce la resistencia a la corrosión.
En general no superan el 15% de cobre, ya que a partir de ese umbral se
forman compuestos intermetálicos que hacen que la aleación se vuelva frágil.

Serie 3000:
El manganeso aumenta la dureza, la resistencia mecánica y la resistencia a la
corrosión de las aleaciones de aluminio. Su solubilidad depende de la temperatura de
formación.

Serie4000:
Estas aleaciones suelen oscilar entre el 5 y 20% de contenido en Silicio. El Silicio
endurece al aluminio y aumenta su resistencia a la corrosión

Serie 5000:
El contenido medio de Magnesio en estas aleaciones es inferior al 10%, y suelen
alearse junto con otros metales. Estas aleaciones son más ligeras que el propio
aluminio, resistentes y fáciles de mecanizar.

Serie 6000:
Estas aleaciones tienen buena resistencia a la corrosión, buen acabado superficial y
resistencia media suficiente para hacerlas adecuadas para secciones con aplicaciones
estructurales.

Serie 7000:
El contenido de cinc no suele sobrepasar el 20%.
Las aleaciones de cinc son más baratas que las de cobre a igualdad de propiedades
mecánicas, pero menos resistentes a la corrosión y más pesadas.
Propiedades quimicas del aluminio:
El aluminio es un elemento químico metálico cuyo símbolo es el Al, su numero
atómico es el 13 y su peso atómico es 26.9815. En el sistema periódico esta situado en
el grupo IIIA y periodo 3. Su configuración electrónica es 1s22s2 2p6 3s2 3p1 y su
valencia es de +3.
El aluminio es anfótero y puede reaccionar con ácidos minerales para formar
sales solubles con desprendimiento de hidrógeno.
El aluminio puro es color blanco azulado, fácil de pulir sumamente sonoro,
tenaz, duro maleable y dúctil, pero puede formar aleaciones con otros elementos para
aumentar su resistencia y adquirir otras propiedades. Estas aleaciones generalmente
son ligeras, fuertes; también son fáciles de fundir y ensamblar. Por sus propiedades y
por ser el elemento metálico mas abundante en la tierra y en la luna se ha convertido
en el metal no ferroso de mayor uso. También es cierto que el aluminio no se
encuentra en forma libre en la naturaleza, se halla ampliamente distribuido en las
plantas y en casi todas las rocas que contiene minerales de aluminio de silicato.
Cuando estos minerales se disuelven, según las condiciones químicas, es posible
precipitar el aluminio en forma de arcillas minerales, hidróxidos de aluminio. En esas
condiciones se forman las bauxitas que sirven de materia prima fundamental en la
producción de aluminio.
El aluminio cristaliza en una estructura cúbica centrada en las caras, con lados
de longitud de 4.0495 angstroms. (0.40495 nanómetros). Es el mas ligero de todos los
metales corrientes ( D= 2,7). Se puede reducir a hojas muy finas, como el oro y plata, y
estirar hasta formar alambres finos. Después de la plata y el cobre, es el mejor
conductor de la electricidad y del calor. El aluminio se conoce por su alta conductividad
eléctrica y térmica.
Tanto el aluminio puro como las aleaciones de éste presentan una gran
resistencia a la corrosión debido a la formación de una capa fina (entre 4 y 5 nm de
espesor) y adherente de óxido de aluminio sobre la superficie del metal. Esta capa de
óxido constituye una película impermeable que impide la difusión del oxígeno hacia el
metal base, haciendo al aluminio y sus aleaciones muy resistentes a la corrosión. Si en
determinadas aplicaciones industriales se necesita una mayor resistencia a la
corrosión, ésta se puede conseguir aumentando el espesor artificialmente de la capa
por un procedimiento de oxidación profunda
El ácido clorhídrico, fluorhídrico y sulfúrico concentrado pueden atacar
fácilmente al aluminio y a sus aleaciones, mientras que en soluciones de ácido nítrico,
amoniaco y en la mayoría de ácidos orgánicos reaccionan ligeramente. La resistencia
química del aluminio depende de la composición química y concentración de la
solución así como de la pureza del metal. Por ejemplo, en ácido nítrico el aluminio de
pureza 99,99% es mucho más resistente al ataque que el aluminio de pureza 99,5%.
Aleantes como el silicio o el zinc hasta un 1 % tienen un efecto muy débil sobre
la resistencia a la corrosión, mientras que aleantes de elevado número atómico, como
el cobre o el níquel, variaciones del 0,1%, afectan fuertemente a la resistencia.
Según el efecto que tienen los aleantes sobre la resistencia a la corrosión, éstos
se pueden clasificar en:



Elementos que mejoran la resistencia a la corrosión: cromo, magnesio y
manganeso
Elementos que empeoran la resistencia: cobre, hierro, níquel, estaño, plomo y
cobalto
Elementos que tienen poca influencia: silicio, titanio, zinc, antimonio, cadmio y
circonio.
Los lingotes de aluminio puro se funden con otros minerales, generalmente Silicio,
Magnesio, Manganeso, Cobre y Hierro, esto en pequeñas proporciones,
homogeneizándose esta aleación. Una vez comprobada la composición química de la
misma, lo que se realiza por un análisis espectro grafico, se solidifica en barras
cilíndricas llamadas tochos.
El tocho tiene normalmente unos 400mm. De largo y unos 150mm. De diámetro, y
pesa alrededor de 14 kg., pero pueden ser también de otras dimensiones. La aleación
mas corriente es la que responde a la norma AA 6063, ( Aluminium Association ), y
cuya composición química es la siguiente: silicio, 0,2 a 0,6 % Magnesio 0,45 a 0,90 %
Manganeso 0,1 % Hierro 0,35 % y Aluminio el resto hasta completar 100
Soldabilidad del Aluminio y sus aleaciones:
• Se oxidan con facilidad dificultando la unión de las partes fundidas.
• La conductividad térmica es muy elevada así como el calor específico y el calor
latente de fusión. Estosfactores hacen que se precise gran aportación de calor y que su
localización sea difícil.
• Sus elevados coeficientes de dilatación y de contracción térmicas favorecen la
aparición de fisuras.
• En estado líquido tienen gran tendencia a disolver gases que pueden quedar
aprisionados en el cordón desoldadura formando porosidades que disminuyen la
resistencia de la unión.
Aún así, el aluminio y sus aleaciones se pueden soldar con las debidas
precauciones, por los procedimientos de oxigas, por arco con electrodorevestido y por
arco en atmósfera inerte (TIG y MIG).
Soldar aluminio lo presenta de una forma fácil.
Sirve lo mismo: Electrodo, Tig o Mig, dando igual corriente alterna que
continua, electrodo a positivo o a negativo.
Pero da unas recomendaciones:
Da preferencia al soldeo Tig o Mig por los acabados que se obtienen y deja a los
electrodos solo para reparaciones.
Aconseja preparar un chaflán cuando el espesor de la chapa es mayor de 3 mm.
Insistir mucho en la limpieza mediante cepillado con cepillo de puas inoxidables
o rasqueteado,y disolventes como acetona o alcohol en los momentos previos a la
soldadura, ya que se oxida muy pronto aunque no lo veamos, y luego cepillar entre
pasadas o cada vez que se va a iniciar un cordón.
La potencia de la corriente debe de ser mayor que para el acero, debido a que
conduce y disipa mucho el calor aportado. Para grandes espesores recomienda
precalentamiento de las piezas a unos 125ºC
El aluminio funde entorno a 600ºC frente a los 1.500ºC del acero. pero al soldar
se oxida muy fácil y esta capa de óxido funde sobre 2.000ºC, lo cual nos da la sensación
de que es poco calor por arriba, y puede estar descolgándose por abajo.
La forma de expulsar esa capa de óxido soldando es conectar el electrodo al
polo positivo y negativo a masa. Se dice que la corriente de electrones (-) fluye desde
el polo (-) hacia el (+), y en este caso salta desde el metal hacia el electrodo haciendo
un efecto de decapado.
En este caso hay que aplicar más potencia de corriente.
Para piezas más gruesas y conseguir más penetración se invierte la polaridad:
electrodo a (-), y en este caso se debe extremar la limpieza.
Con corriente alterna se consiguen ambas cosas: Decapar y penetrar.
Recomienda asegurarse que los electrodos estén secos, si acaso calentándonos
previamente.
Con Tig el gas de protecció suele ser argon con helio, el electrodo de tungsteno
y afilado terminando la punta en forma redondeada "de media bola".
Siempre quedará por encima una ligera capa de óxido que habrá que retirar
cepillando para un aspecto brillante.
El Aluminio en la Industria Eléctrica:
El aluminio es un metal no ferroso, y es el más abundante de los metales,
constituyendo cerca del 8% de la corteza terrestre.
El empleo del aluminio como conductor en la industria eléctrica se remonta a
finales del siglo XIX (En 1895 se construyo la primera línea de aluminio entre las
fabricas de la Plaine y de Pont de Chéruy con una longitud de 2500 metros)
Las características que lo dotan de un mayor atractivo, dentro de la industria
eléctrica son:






Ligereza (en torno a un tercio del peso del cobre).
Resistencia.
Alta maleabilidad.
Resistencia a la corrosión.
Alta conductividad, tanto eléctrica como térmica.
Económico.
Como inconvenientes, podríamos reseñar que el aluminio, en contacto con el
aire, se cubre de una capa de óxido llamada alumina que lo protege de oxidaciones
posteriores, pero presenta el inconveniente de ser aislante y por tanto dificulta su
conexionado en empalmes.
El aluminio en contacto con metales más nobles, hierro, cobre o aleaciones, y
en presencia de humedad, produce un par galvánico que lo corroe lentamente hasta
desintegrarlo.
A pesar de estos inconvenientes, que también son evitables, lo cierto es que
presenta cualidades que en ocasiones lo hacen ser insustituible para tendidos de líneas
aéreas, cables de grandes secciones para circuitos de baja o alta tensión, etc. Dada su
baja densidad, 1/3 de la del cobre, y estableciendo una relación entre sus
correspondientes resistividades, el cobre podría ser sustituido por la mitad de su peso
en aluminio, conservando la misma resistencia eléctrica.
Las propiedades mecánicas del aluminio son bastante inferiores a las del cobre
y al ser baja su resistencia a la tracción, se utiliza aleado o bien con alambres de acero
al objeto de transferirle alta tenacidad para líneas aéreas.
Utilidades mas comunes.

Líneas Aéreas:
El empleo del aluminio en forma de cables desnudos constituye el más
importante de todos los empleos que encuentra este metal en la industria eléctrica.
A pesar de su excelente conductividad eléctrica, los cables homogéneos de
aluminio no se emplean apenas en el equipo de líneas de alta tensión, ya que su carga
de rotura, que es demasiado débil, no permite la utilización económica en las líneas de
grandes distancias.
Para equipar estas obras, se recurre a dos tipos principales de conductores:
1.
Cables Aluminio-Acero, llevan un alma constituida por uno o varios hilos
de acero zincado, sobre los cuales se enrollan los hilos de aluminio en una o varias
capas.
2.
Cables “Almélec”, son cables Aluminio-Acero con incremento de la
proporción de acero, que lo dotan de una mayor resistencia mecánica.

Líneas de Tracción y Telecomunicación:
Los Cables de Aluminio-Acero se utilizan con éxito para cables de alimentación
y enganche de las líneas de ferrocarril.
En cuanto a las líneas de telecomunicaciones, los ensayos efectuados han
demostrado que los cables de poca sección pueden remplazar económicamente a los
de cobre.

Redes subterráneas, centrales-subestaciones, instalaciones Industriales:
En estos equipos el consumo de aluminio en forma de cables aislados y barras
de conexión diversas se aproxima a unas 6000 toneladas/año

Bobinado de las máquinas eléctricas:
1.
Transformadores. Con igualdad de perdidas, los transformadores de
aluminio son ligeramente más pesados y de mayor tamaño que sus homólogos de
cobre, a causa de las mayores dimensiones de los circuitos magnéticos.
Las principales causas de la utilización de devanados de aluminio:

La tecnología del aluminio es menos costosa que la del cobre

El precio del aluminio en el mercado es más estable que el del Cobre
2.
Máquinas Rotativas. Para los estatores, la situación es sensiblemente la
misma que para los transformadores, lo que explica lo poco que se ha utilizado el
aluminio en este campo. En cambio va muy bien para la fabricación de rotores (rotores
jaula de ardilla).
Al emplear el aluminio para la fabricación de este tipo de rotores reducimos
considerablemente los esfuerzos de inercia, alargando la vida útil del motor y
reduciendo considerablemente el consumo eléctrico.
3.
Condensadores. Se utiliza el aluminio por su ligereza, excelente
resistencia química (asegura la integridad del estado superficial) y su gran
maleabilidad, pudiendo utilizar papel de aluminio laminado con espesores de
armadura de 0,005 a 0,007 mm.

Cambiadores:
El aluminio se emplea en los cambiadores de calor, sobre todo en forma de
perfiles, gracias a su alto coeficiente de conductividad térmica. Nos permite una eficaz
y rápida evacuación de calor generado por los equipos eléctricos-electrónicos,
preservando la integridad física y el buen funcionamiento del resto de componentes
del circuito (Microchips, Rectificadores,…..)
Bibliografia: