diagrama de fases de las aleaciones del aluminio

8/18/2019 Diagrama de Fases de Las Aleaciones Del Aluminio

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DIAGRAMA DE FASES DE LAS ALEACIONES DELALUMINIO

Bayron Johan Castro Wilches

Cod !"#!$$%

Uni&ersidad A'raria de Colo()ia

In'* (ecatr+nica

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DIAGRAMA DE FASES DE LAS ALEACIONES DELALUMINIO

Bayron Johan Castro Wilches

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Uni&ersidad A'raria de Colo()iaIn'* (ecatr+nica

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Introd,cci+n

Los productos siderúrgicos derivados del acero y del hierro son, con mucha

diferencia, los más utilizados de los metales conocidos, siendo su producciónmundial superior en veinte veces a la de los demás metales.

Podemos destacar, que esta supremacía se debe, además de a su precio decoste relativamente económico, a sus ecelentes propiedades mecánicas que,sobre todo las de los aceros, pueden variarse para amoldarlas a laconveniencia del usuario para traba!arlos más cómodamente, dándose despu"sel punto deseado de dureza, resistencia y tenacidad. #ienen, sin embargo, losproductos siderúrgicos el grave defecto de que son muy sensibles a laoidación y a la corrosión atmosf"rica, ya que el hierro es el metal industrialque más fácilmente se deteriora en el aire. $unque tambi"n es cierto, que sefabrican los aceros denominados inoidables, en los que se han corregido estos

defectos, aunque tienen estos aceros su inconveniente en su elevado precio.

Los metales industriales no f"rreos y sus aleaciones son, en general,resistentes a la oidación y corrosión atmosf"rica. Pero no es esta la únicabuena cualidad, que los hace recomendables para muchas aplicaciones, sinotambi"n, la facilidad con la que se moldean y mecanizan% la elevada resistenciamecánica en relación a su peso de algunas &e denominan aleaciones ligeras aaquellas aleaciones que tienen como elemento base o principal el aluminio.

'especto a los metales de adición, los más empleados son el cobre, silicio, cinc,níquel, hierro, titanio, cromo y cobalto. (stos materiales pueden )gurar en lasaleaciones !untos o aislados. (n general, la proporción total en que forman

parte de las aleaciones ligeras, no pasa del *+.

La característica principal de las aleaciones ligeras, es su ba!o peso especí)co,que en algunas de ellas llega a ser hasta de *- del peso especí)co del acero. /aún resulta más interesante la relación de resistencia mecánica a pesoespecí)co, que algunos tipos de aleaciones ligeras es la más alta entre todoslos metales y aleaciones conocidos. (sto las hace indispensables paradeterminadas aplicaciones, como, por e!emplo, para las construccionesaeronáuticas en las que interesan materiales muy ligeros con una resistenciamecánica mínima.


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OBJE-I.OS

0onocer las características del aluminio

0omprender las me!oras que sufre este metal ligero cuando es

combinado con otros metales

Anali/ar y co(0render los dia'ra(as de 1ase 2,e tienen las

aleaciones del al,(inio

Conocer los )ene3cios 2,e tienen las aleaciones de al,(inio con

res0ecto a los aceros


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RESUMEN

&e denominan aleaciones ligeras a aquellas aleaciones que tienen comoelemento base o principal el aluminio. 'especto a los metales de adición,

los más empleados son el cobre, silicio, cinc, níquel, hierro, titanio,cromo y cobalto. (stos materiales pueden )gurar en las aleaciones !untas o aisladas. (n general, la proporción total en que forman parte delas aleaciones ligeras, no pasa del *+. La característica principal de lasaleaciones ligeras, es su ba!o peso especí)co, que en algunas de ellasllega a ser hasta de *- del peso especí)co del acero. / aún resulta másinteresante la relación de resistencia mecánica a peso especí)co, quealgunos tipos de aleaciones ligeras es la más alta entre todos losmetales y aleaciones conocidos. (sto las hace indispensables paradeterminadas aplicaciones, como, por e!emplo, para las construcciones

aeronáuticas en las que interesan materiales muy ligeros con unaresistencia mecánica mínima.


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$* Al,(inio

(l aluminio es un metal ligero con una densidad de 1.23 g-cm, y

por ello, aunque las aleaciones de aluminio tienencaracterísticas mecánicas relativamente ba!as comparadas conlas del acero, su relación resistencia4peso es ecelente. (sprecisamente debido a esto que el aluminio se utiliza cuando elpeso es un factor importante, como ocurre en las aplicacionesaeronáuticas y de automoción.

(l aluminio tambi"n responde fácilmente a los diferentesmecanismos de endurecimiento, donde se observa que elmecanismo más notable es el de endurecimiento por

precipitación, donde se consigue una dureza hasta 3 vecessuperior a la del aluminio puro.Por otra parte, el aluminio no suele presentar un límite deresistencia a la fatiga bien de)nido, de modo que la fracturapuede suceder incluso a niveles muy ba!os. 5ebido a su ba!opunto de fusión, el aluminio no se comporta bien a temperaturaselevadas. 6inalmente, las aleaciones de aluminio tienen escasadureza, lo que origina poca resistencia al desgaste abrasivo enocasiones.

Al,(inio

(l aluminio es uno de los principales componentes de la corteza terrestreconocida, de la que forma parte en una proporción del 7,*, superior ala del hierro, que se supone es de un +, y solamente superada entrelos metales por el silicio 819,+:. (l aluminio no se encuentra puro en lanaturaleza, sino formando parte de los minerales, de los cuales los másimportantes son las bauitas, que están formadas por un 9149+ dealúmina 8$l1;:, hasta un 17 de óido de hierro 86e1;:, *143 deagua de hidratación 8ayer, que comprende las siguientes operaciones=


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&e calientan las bauitas para deshidratarlas, una vez molidas% seatacan a continuación con le!ía de sosa en caliente y a presiónpara formar aluminato sódico 8?a1;.$l1;:, que se separa delresto de los componentes de la bauita% despu"s, ba!o la in@uenciade una pequeAa cantidad de alúmina que inicia la reacción, se

hidroliza el aluminato de sodio, quedando alúmina hidratada ehidróido de sodio% y por )n, se calcina la alúmina hidratada a*.133B0, con lo que queda preparada para la fase siguiente.

1. 'educción de la alúmina disuelta en un baAo de criolita 86na,6$C:, y con cierta cantidad de fundente, por electrolisis conelectrodos de carbón. Para obtener una tonelada de aluminio sonnecesarias D #m. de bauita, 73 Egs. de criolita, 933 Egs. deelectrodos de carbón y 11.333EF4hora. La metalurgia de aluminioes, por tanto, esencialmente electrolítica.

4ro0iedades 15sicas del al,(inio*

(l aluminio es un metal blanco brillante, que pulido seme!a a la plata.0ristaliza en red cúbica centrada en las caras 8600:. &u peso especí)coes igual a 1,9GG, es decir, casi *- del hierro 82,72:. (l único metalindustrial más ligero que el aluminio es el magnesio, de peso especí)co*,2D. &u conductividad el"ctrica es un 93 de la del cobre y ,+ vecesmayor que la del hierro. &u punto de fusión es 993B0 y el de ebullición1.D+3B0. (ste punto de fusión relativamente ba!o, unido a su punto de

ebullición bastante alto facilita su fusión y moldeo.

4ro0iedades del al,(inio*

La propiedad química más destacada del aluminio es su gran a)nidadcon el oígeno, por lo que se emplea entre otras cosas, para ladesoidación de los baAos de acero, para la soldadura aluminio4t"rmica8$l H 6e1;:, para la fabricación de eplosivos, etc... $ pesar de esto, y

aunque parezca un contrasentido, el aluminio es completamenteinalterable en el aire, pues se recubre de una delgada capa de óido, dealgunas cent"simas de micra, que protege el resto de la masa de laoidación. 5ebido a esta película protectora, resiste tambi"n a la accióndel vapor de agua, el ataque nítrico concentrado y muchos otroscompuestos químicos. (n cambio, es atacado por el ácido sulfúrico, elclorhídrico, el nítrico diluido y las soluciones salinas .D. Propiedades


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mecánicas del aluminio. Las propiedades mecánicas del aluminio sonmás interesantes son su d"bil resistencia mecánica, y su gran ductilidady maleabilidad, que permite for!arlo, tre)larlo en hilos delgadísimos ylaminarlo en láminas o panes tan )nos como los del oro, hasta de unespesor de 3,333D mm 83,D micras:. $ la temperatura de +33B0 se

vuelve frágil y se puede pulverizar fácilmente.

A0licaciones del al,(inio*

(l aluminio tiene multitud de aplicaciones= su ba!o peso especí)co lo hace útilpara la fabricación de aleaciones ligeras, etensamente empleadas enconstrucciones aeronáuticas y en general, cada vez más en los vehículos detransporte 8automotores, #$LI;, automóviles, etc.,...:. &u elevada

conductividad el"ctrica lo hace útil para la fabricación de conductoresel"ctricos de aluminio t"cnicamente puro o en forma de cables armados conacero galvanizado. &u elevada conductividad calorí)ca e inalterabilidad lohacen útil para la fabricación de utensilios de cocina y, en general, paraaparatos de intercambio de calor. &u maleabilidad lo hace útil para lafabricación de papel de aluminio, en lo que se emplea actualmente un *3 desu producción total. &u resistencia a la corrosión lo hace útil para fabricación dedepósitos para ácido ac"tico, cerveza, etc.,... #ambi"n se emplea en forma dechapas para cubiertas de edi)cios. / reducido a polvo para la fabricación depurpurinas y pinturas resistentes a la corrosión atmosf"rica. &us propiedadesreductoras lo hacen útil para la desoidación del hierro y de otros metales, y

para las soldaduras aluminio4t"rmicas.


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ALEACIONES DEL ALUMINIO

Los principales metales empleados para su aleación con aluminio son lossiguientes= 0obre 80u:, silicio 8&i:, cinc 8Jn:, magnesio 8>g:, y manganeso 8>n:.

/ los que pudi"ramos considerar como secundarios, son los siguientes=

?íquel 8?i:, titanio 8#i:, hierro 86e:, cromo 80r: y cobalto 80o:. &ólo en casosespeciales se adicionan= Plomo 8Pb:, cadmio 80d:, antimonio 8&b: y bismuto8Ki:.

La in6,encia de los ele(entos de aleaci+n en el al,(inio son lossi',ientes

• Co)re= $umenta de manera notable la resistencia a la tracción y la

dureza, tanto en condiciones de etrusión como tratado t"rmicamente.


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Las aleaciones que contienen de D a 9 0u tienen una respuesta másefectiva al tratamiento t"rmico. Por lo general, al cobre reduce laresistencia a la corrosión y, en ambientes muy especí)cos en ciertostipos de aleaciones, induce a la corrosión ba!o tensión. Las adiciones decobre reducen la resistencia al agrietamiento en caliente y disminuye lacolabilidad en piezas fundidas.

• 7ierro= (s altamente soluble en estado líquido pero virtualmente

insoluble 83,3D 6e: a temperatura ambiente. Por ello aparece comocompuestos intermetálicos insolubles, siendo los más comunes $l6e,$l96e>n y $l6e&i. >e!ora la resistencia al agrietamiento en caliente, lasresistencia a la @uencia a altas temperaturas y disminuye la tendenciaa la adhesión en fundición a presión. (l hierro re)na el grano en loslingotes de fundición. Mn incremento en el contenido de hierro aumentala resistencia mecánica pero disminuye notablemente la ductilidad, porla presencia de las segundas fases. (n presencia de altos contenidos dehierro, dichas fases afectan adversamente la colabilidad y lascaracterísticas de alimentación de las piezas fundidas. Nunto con elmanganeso y el cromo, el hierro ayuda a formación de fases que puedenretirarse por escori)cación de la colada.

• Ma'nesio= >e!ora notablemente la resistencia y la dureza en las

aleaciones $l4&i tratadas t"rmicamente normales o en aquellas máscomple!as que tienen elementos como el 0u, ?i y otros elementos. Lafase endurecible responsable de la me!ora de la dureza es el >g1&i yehibe una alta solubilidad hasta un máimo de 3,2 >g. Por encima deesta concentración no ocurre endurecimiento posterior, por efecto delablandamiento de la matriz de aluminio. Las composiciones

recomendadas para aluminios de alta calidad 8OPremium: varían en elrango de 3,D3 a 3,23. Las aleaciones binarias $l4>g se utilizanampliamente cuando se requiera un acabado super)cial brillante, buenaresistencia a la corrosión y una ecelente combinación entre resistenciay ductilidad. Las composiciones entre D a*3 >g, así como aquellas quecontienen más de 2 >g son tratables t"rmicamente, cuya desventa!aprincipal es la inestabilidad en las características de enve!ecimiento atemperatura ambiente. Las $leaciones $l4D0u4*>g se caracterizan porprecipitar el compuesto $l10u>g, responsable del endurecimiento porprecipitación de dichas aleaciones.

• Man'aneso= Cncrementa la resistencia mecánica sea por solución sólidao por )nos precipitados intermetálicos. ?o altera la resistencia a lacorrosión. &e usa en la fundición para corregir la forma acicular de losprecipitados aciculares ricos en hierro y disminuir su efecto fragilizante,aunque promueve una estructura )brosa en los lingotes. (n forma deprecipitados )nos previene el crecimiento del grano en larecristalización. &e encuentra que el manganeso incrementa lasensibilidad al agrietamiento de las aleaciones tratables t"rmicamente.


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n es el principal aleante en las aleaciones del tipo .0on grandes deformaciones plástica, estos materiales ehiben unaaceptable imbatibilidad. (n presencia de 6e, 0r o ?i, debe cuidarse queno sobrepasen los límites de composición para evitar la formación decristales primarios intermetálicos.

• N52,el= &e emplea con!untamente con el cobre para me!orar las

propiedades a altas temperaturas. #ambi"n reduce el coe)ciente deepansión t"rmica. &ilicio= (l efecto más notable del silicio en el aluminioes me!orar las características del colado, me!orando la @uidez, laresistencia al agrietamiento en caliente y las características de laalimentación de las piezas fundidas. Las aleaciones comerciales $l4&ivarían desde composiciones hipoeut"cticas hasta cerca del 1+ &i. Paraprocesos de colado con velocidades lentas de solidi)cación se pre)erenlos rangos de + a 2 &i, para moldes permanentes se recomienda 2 a G &i y para fundición a presión, que inducen altas velocidades deenfriamiento, 7 a *1 &i. &e recomienda mayores cantidades deeut"ctico para propósitos de alimentación de la pieza a medida queaumenta la velocidad de enfriamiento. Las adiciones de siliciodisminuyen la densidad y el coe)ciente de epansión t"rmica.

• Esta8o= >e!ora las características antifricción y la maquinabilidad.

5ebido a esto, se utiliza en aleaciones destinadas a co!inetes. (l estaAopuede in@uenciar la respuesta al endurecimiento de ciertas aleacionesde aluminio.D

• -itanio= 'e)na la estructura del grano del aluminio, usualmente

adicionado como boruro de titanio, #iK1, preferiblemente en

concentraciones mayores que la estequiometria. 'educe la tendencia alagrietamiento.

• 9inc= ?o se reportan bene)cios por la adición del zinc al aluminio. &in

embargo, en aleaciones que contienen 0u y-o >g, me!ora la respuesta alendurecimiento por tratamiento t"rmico o natural.

•

$: ALUMINIO ; COBRE


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(n la )gura anterior se muestra el diagrama de fases $l40u hasta un +3 de0u, que es muy superior al porcenta!e máimo empleado en estas aleaciones,que en general no superan al *+, pues a partir de esta concentración seforman compuestos intermetálicos que hacen frágil la aleación.

(n este diagrama están presentes la fase que es una solución sólida de cobre en aluminio que cristaliza en la red cúbica centrada en las caras. La eut"ctica

está formada por cristales duros de aluminio de cobre 8$l10M: incrustados en lamatriz de cristales. La temperatura eut"ctica es +D2B0, que corresponde a unaconcentración del de 0u.

La solubilidad del cobre en el aluminio varía del 3,D+ a 33B0, hasta +,2 a+D2B0, lo que se utiliza para el temple de precipitación a que puede sersometida estas aleaciones. (l cobre endurece mucho el aluminio, por lo queestas aleaciones poseen propiedades mecánicas ecepcionales, peromantienen la buena maquinabilidad y ligereza que posee el aluminio. (ngeneral, estas aleaciones, se caracterizan por una buena resistencia al calor yuna menor resistencia a los agentes atmosf"ricos que las aleaciones sin cobre.(stas aleaciones no pueden ser soldadas más que por t"cnicas particularescomo por e!emplo la soldadura por haz de electrones. 0omúnmente sondenominadas 0obral.


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%: ALUMINIO < CILICIO

(stas aleaciones siguen en importancia a las del aluminio4cobre. (l porcenta!ede silicio suele variar del + al 13. (n la )gura anterior se ha representado eldiagrama de fases $l4&i, que es muy sencillo, pues no forma más que unasolución sólida de silicio en aluminio y una solución sólida de aluminio ensilicio, aunque algunos autores consideran la fase como silicio elemental. / eneste caso la eut"ctica estaría formada por H &i. ?o hay más que un puntoeut"ctico que corresponde a la proporción de **,9 de &i y cuya temperaturaes +22B0.

(l silicio endurece al aluminio y, sobre todo, aumenta su @uidez en la colada ysu resistencia a la corrosión. Las aleaciones $l4&i son muy dúctiles y resistentes

al choque% tienen un ba!o coe)ciente de dilatación y una elevada conductividadcalorí)ca y el"ctrica, pero son difíciles de mecanizar por la naturaleza abrasivadel silicio. &u peso especí)co es alrededor del 1,2.

Las propiedades mecánicas de aleaciones aluminio4silicio pueden me!orarseaAadiendo a la cuchara de colada de estas aleaciones cloruro sódico o unamezcla de @uoruro y cloruro sódico. (sta operación incorpora una pequeAacantidad de sodio, inferior al 3,3* a la aleación pero su)ciente para variar la


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concentración eut"ctica del **,9 al * y ba!ar la temperatura eut"ctica de+22B0 a +23B0. *3Pero sobre todo las aleaciones $l4&i modi)cadas con estaadición resultan con un grano etremadamente )no en lugar de las agu!as oláminas en que cristaliza el silicio en las aleaciones sin modi)car.

(sta me!ora en la estructura micrográ)ca se traduce en una notable me!ora de

las propiedades mecánicas de aleaciones modi)cadas, y concretamente, de suductilidad, resistencia al choque, resistencia mecánica e incluso de suresistencia a la corrosión. La principal aplicación de las aleaciones aluminio4silicio son la fundición de piezas difíciles, pero buenas cualidades de moldeo, yla fabricación de piezas para la marina, por su resistencia a la corrosión. Perono se emplean para piezas ornamentales porque ennegrecen con el tiempo.

=: LUMINIO ; 9INC

(n estas aleaciones )gura el cinc con un porcenta!e máimo del 13. (n la)gura posterior queda representado el diagrama $l4Jn, en el que estánpresentes la solución &ólida de cinc en aluminio, la solución sólida de aluminioen cinc, que algunos autores identi)can con cinc elemental, y la solución sólidaintermedia. 0omo no se forman compuestos químicos no puede aplicarse aestas aleaciones el temple de precipitación. Las aleaciones de cinc son más


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baratas que las de cobre a igualdad de propiedades mecánicas, pero menosresistentes a la corrosión y más pesadas. 0omúnmente son denominadasJincal.

": ALUMINIO ; MANGANESIO

(stas aleaciones contienen magnesio en proporciones inferiores al *3 de >g.(n general, el magnesio va asociado a otros elementos como el cobre, silicio,cinc, etc.,..., es decir, formando aleaciones ternarias, en las que el magnesio)gura con proporciones del 3,* al *.

Pongamos por e!emplo, la aleación conocida como &imagal. $luminio4manganeso4silicio, Los elementos de adicción de esta familia son el >agnesio yel &ilicio. (stas aleaciones presentan características mecánicas medias.;frecen una buena aptitud a la deformación en frío en estado reconocido, así

como su buen comportamiento ante los agentes atmosf"ricos y su buenaaptitud a la soldadura. (sta familia está formada por dos grupos de aleaciones.(l primero constituido por las aleaciones más cargadas en >g y &i conadicciones de >n, 0r, Jn, presenta las características más elevadas, destinadasa aplicaciones estructurales 8armazones, pilares, puentes, @echas de grúa,etc....:.

(l segundo grupo constituido por aleaciones menos cargadas en >g y &i, ofreceuna gran velocidad de etrusión asociada a características menos elevadas.


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(stán especialmente destinadas a la decoración, amueblamiento y laedi)cación 8puertas, ventanas, etc....:

>: ALUMINIO ; MANGANESO

(l manganeso se encuentra en la mayor parte de las aleaciones de aluminio

ternarias y cuaternarias. &u solubilidad en el aluminio pasa del 3,+ a +33B0a la temperatura eut"ctica, que es 9+7,+B0, como podemos observar en eldiagrama de fases de $l4>n de

La )gura siguiente. La concentración eut"ctica es de *,G+ de >n. $ latemperatura ambiente, y hasta un 1+ de >n la aleación está formada por $lH $l9 >n. (l manganeso aumenta la dureza, la resistencia mecánica y laresistencia a la corrosión de las aleaciones de aluminio.


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BIBIOGRAFIA

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diagrama de fases de las aleaciones del aluminio

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