ALUMINIO Y SUS ALEACIONES

JENIFFER TATIANA BECERRA MORENO

OSCAR ANDRES CORREDOR PEDRAZA

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE METALURGIA

TUNJA

2014

1

ALUMINIO Y SUS ALEACIONES

JENIFFER TATIANA BECERRA MORENO

OSCAR ANDRES CORREDOR PEDRAZA

Presentado a

Ing. Msc. MÓNICA ISABEL MELGAREJO RINCÓN

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE METALURGIA

TUNJA

2014

2

TABLA DE CONTENIDO

1. PRELABORATORIO

1.1. INVESTIGAR LAS PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DEL ALUMINIO.

1.2. INVESTIGUE LAS ALEACIONES MÁS COMUNES DEL ALUMINIO

1.3. CONSULTE CUALES SON LOS REACTIVOS UTILIZADOS PARA

EL ATAQUE QUÍMICO METALOGRÁFICO DE LOS METALES NO

FERROSOS Y DEL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES.

2. LABORATORIO

2.1. MICROGRAFIAS TOMADAS

2.2. TAMAÑO DE GRANO

2.3. FASES PRESENTES

2.4. CUADRO COMPARATIVO

2.5. PROMEDIO DE DUREZAS

2.6. ANALISIS DE RESULTADOS

2.7. CONCLUSIONES

2.8. BIBLIOGRAFIA

2.9. INFOGRAFIA

3

1. PRELABORATORIO

1.1. INVESTIGAR LAS PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DEL

ALUMINIO.

El aluminio es un elemento químico perteneciente al grupo 13 de la tabla periódica, o grupo del boro. Se trata de un metal de número atómico 13 y de símbolo, Al.

1.1.1. PROPIEDADES FÍSICAS:

El aluminio es un metal ligero, con un densidad 2.7 veces mayor que la del agua. Su punto de fusión es más bien bajo, en torno a los 660ºC. Su color es blanco y brillante, con propiedades óptimas para la óptica. Posee una buena conductividad eléctrica, que se encuentra entre los 34 y 38 m/Ω mm^2, así como también tiene una gran conductividad térmica (de 80 a 230 W/ m.K). Es resistente a la corrosión, gracias a la capa protectora característica de óxido de aluminio, resiste a los productos químicos, puede estar expuesto a la intemperie, al mar, etc. Es el tercer elemento en cuanto a abundancia en la corteza terrestre, por detrás del oxígeno y el silicio.

1.1.2. CARACTERÍSTICAS

Símbolo químico Al

Número atómico 13

Grupo 13

Periodo 3

Aspecto plateado

Bloque p

Densidad 2698.4 kg/m3

Masa atómica 26.9815386 u

Radio medio 125 pm

Radio atómico 118

Radio covalente 118 pm

Configuración electrónica [Ne]3s23p1

Electrones por capa 2, 8, 3

Estados de oxidación 3

Óxido anfótero

Estructura cristalina CCC

Estado sólido

Punto de fusión 933.47 K

Punto de ebullición 2792 K

Calor de fusión 10.79 kJ/mol

Presión de vapor 2,42 × 10-6Pa a 577 K

4

Volumen molar 10,00×10-6m3/mol

Electronegatividad 1,61

Calor específico 900 J/(K·kg)

Conductividad eléctrica 37,7 × 106S/m

Conductividad térmica 237 W/(K·m)

Tabla N 1. Características y propiedades físicas del aluminio

1.2. INVESTIGUE LAS ALEACIONES MÁS COMUNES DEL ALUMINIO

1.2.1. CLASIFICACIÓN POR SUS PROCESO

1.2.1.1. Aluminios forjados 1.2.1.2. Aluminios de fundición

1.2.2. SERIES SEGÚN SUS ALEANTES

Imagen N1. Series de aluminios según sus maleantes1

Fuente. http://ingenieriademateriales.wordpress.com/2009/04/17/manual-del-

aluminio-y-sus-aleaciones/

|Sydney, introducción a la metalurgia, pág. 477, 485, 488.

5

1.2.2.1. Aleaciones de aluminio forjado sin tratamiento térmico

Aleaciones 1xxx: Son aleaciones de aluminio técnicamente puro, al

99,9% siendo sus principales impurezas el hierro y el silicio como

elemento aleante. Se les aporta un 0.1% de cobre para aumentar su

resistencia. Tienen una resistencia aproximada de 90MPa. Se utilizan

principalmente para trabajos de laminados en frío.

Aleaciones 3 xxx: El elemento aleante principal de este grupo de

aleaciones es el manganeso (Mn) que está presente en un 1,2% y tiene

como objetivo reforzar al aluminio. Tienen una resistencia aproximada

de 16 Ksi (110MPa) en condiciones de recocido. Se utilizan en

componentes que exijan buena maquinabilidad.

Aleaciones 5xxx: En este grupo de aleaciones es el magnesio es el

principal componente aleante su aporte varía del 2 al 5%.

Esta aleación se utiliza cuando para conseguir reforzamiento en

solución sólida. Tiene una resistencia aproximada de 28 ksi (193MPa)

en condiciones de recocido.

1.2.2.2. Aleaciones de aluminio forjado con tratamiento térmico

Aleaciones 2xxx: El principal aleante de este grupo de aleaciones

es el cobre (Cu), aunque también contienen magnesio Mg. Estas

aleaciones con un tratamiento T6 tiene una resistencia a la tracción

aproximada de 64ksi (442 MPa) y se utiliza en la fabricación de

estructuras de aviones, concretamente en la parte inferior y en el

fuselaje donde se precisa de una gran tenacidad a fractura además

de buena resistencia.2

Aleaciones 6xxx. Los principales elementos aleantes de este grupo

son magnesio y silicio. Con unas condiciones de tratamiento térmico

T6 alcanza una resistencia a la tracción de 42 ksi (290MPa) y es

utilizada para perfiles y estructuras en general.

Aleaciones 7xxx. Los principales aleantes de este grupo de

aleaciones son zinc, magnesio y cobre. Con un tratamiento T6 tiene

2 Sydney, introducción a la metalurgia, pág. 477, 485, 488.

6

una resistencia a la tracción aproximada de 73ksi (504MPa) y se

utiliza para fabricar estructuras de aviones, concretamente la parte

superior de las alas en las que se precisa una gran resistencia.

También se usa en aplicaciones deportivas de alto nivel,

concretamente en bastones de esquí usados en competición, siendo

la aleación 7075 la más usada debido a su ligereza y buena

flexibilidad aún a bajas temperaturas.

1.3. CONSULTE CUALES SON LOS REACTIVOS UTILIZADOS PARA

E L ATAQUE QUÍMICO METALOGRÁFICO DE LOS METALES NO

FERROSOS Y DEL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES.

Nombre del reactivo Composición Aplicación

Ácido nítrico concentrado Ácido nítrico concentrado 50

cm3

Latones α y β

Persulfato de amonio Persulfato de amonio 10 grs

y agua 100 grs

Cobre y sus aleaciones

Cloruro férrico acido Cloruro férrico 5 grs. Agua 5

cm3, Ácido clorhídrico 30

cm3 Alcohol isoamilico 30

cm3 Alcohol 96º 30 cm3

Cobre, Zinc y sus

aleaciones

Ácido nítrico A. Diluido en

concentraciones de

0.5, 1, 10%.

B. Ácido nítrico diluido en

alcohol.

Zinc y eutéctico Zn y Al.

Ácido fluorhídrico Ácido fluorhídrico 5ml y agua

99.5 ml

Aluminio

Tabla N 2. Reactivos para ataque químico metalográfico para no ferrosos

Fuente. http://190.105.160.51/~material/materiales/lab/guia_metalograf%EDa.pdf3

3Sydney, intyroduccion a la metalurgia, pág. 477, 485, 488.

7

2. PRELABORATORIO

2.1. MICROGRAFIAS TOMADAS

2.1.1. ALUMINIO

Las anteriores micrografías observadas fueron tomadas de una probeta de

aluminio la cual fue devastada y pulida hasta llegar al brillo espejo para así ser

atacada con HCl HF HNO3 el cual nos muestra su microestructura para ser

analizada.

Imagen N2. Micrografia de alumínio

longitudinal a 100X.

Fuente: Autores

Jeniffer Tatiana Becerra Moreno

Oscar Andrés Corredor Pedraza

Imagen N3. Micrografia de alumínio

longitudinal a 500X.

Fuente: Autores

Jeniffer Tatiana Becerra Moreno

Oscar Andrés Corredor Pedraza

8

2.1.2. ALEACION DE ALUMINIO

Las imágenes 4 y 5 muestran las micrografías obtenidas de una muestra de

aleación de aluminio la cual fue montada en una resina para un mejor manejo al

momento de pulir y llevada a brillo espejo para ser luego atacada con HCl HF

HNO3 donde se puede observar su microestructura para su posterior análisis.

Imagen N4. Micrografía de aleación

de aluminio longitudinal a 100X.

Fuente: Autores

Jeniffer Tatiana Becerra Moreno

Oscar Andrés Corredor Pedraza

Imagen N5. Micrografía de aleación

de aluminio longitudinal a 500X.

Fuente: Autores

Jeniffer Tatiana Becerra Moreno

Oscar Andrés Corredor Pedraza

9

Imagen N6. Micrografía Longitudinal de Aluminio a 100X con plantilla

superpuesta según norma ASTM E112

Fuente. Autores Jeniffer Tatiana Becerra Moreno

Oscar Andrés Corredor Pedraza

2.2. TAMAÑO DE GRANO

2.2.1. ALUMINIO

Se puede observar que según la norma ASTM E112 el tamaño de grano (G) es 2.4

4 Norma ASTM E-112-96 reprobada en el 2004 Pág. 3.

10

Imagen N7. Micrografía Longitudinal de Aleación de Aluminio a 100X con

plantilla superpuesta según norma ASTM E112

Fuente. Autores Jeniffer Tatiana Becerra Moreno

Oscar Andrés Corredor Pedraza

2.2.2. ALEACION DE ALUMINIO

Se puede observar que según la norma ASTM E112 el tamaño de grano (G) es 7.5

5 Norma ASTM E-112-96 reprobada en el 2004 Pág. 3.

11

2.3. FASES PRESENTES

2.3.1. ALUMINIO

Para determinar las fases presentes primero se realiza una comparación con otra

micrografía que ya se haya realizado, con el fin de determinar qué tipo de aluminio

fue el que se analizó, luego se observó que la micrografía más semejante, con la

obtenidas en el laboratorio.

Para esta comparación se utilizó la micrografía de aluminio a 500X obtenida en el

laboratorio (imagen N9) con la micrografía encontrada en el Handbook a 500x

(imagen N8). Esta nos permite observar que fue laminada al frio y presenta una

matriz de aluminio con una dispersión de FeAl3 (negro).6

Como se puede observar presentan similitudes con la micrografía tomada en el

laboratorio. Ya que se puede observar la fase de FeAl3.

6 ASM Metals Handbook Vol 9 editorial; Edición 1ra; Pág. 730

Imagen N8. Aluminio 11000. 500X

Fuente:

ASM Metals Handbook Vol 9

editorial; Edición 1ra; Pág. 730

figura 1

FeAl3

Matriz de

AL

12

Teóricamente se encuentra que el aluminio 1100 contiene un porcentaje de

aluminio mayor al 99% y el restante cuenta de un 0.95% de impureza que puede

estar determinada por hierro o por silicio lo cual indica que el aluminio 1100 es un

aluminio con un alto porcentaje de pureza. 7

2.3.2. ALEACION DE ALUMINIO

Para determinar las fases presentes primero se realiza una comparación con otra

micrografía que ya se haya realizado, con el fin de determinar qué tipo de aleación

aluminio fue el que se analizó, luego se observó que la micrografía más

semejante, con la obtenidas en el laboratorio.

Para esta comparación se utilizó la micrografía de aleación de aluminio a 500X

obtenida en el laboratorio (imagen N11) con la micrografía encontrada en el

Handbook a 500x (imagen N10). Esta Aleación 413 -F nos permite observar que

fue fundido a presión. La estructura consta de silicio eutéctico (constituyente gris),

y algunas partículas de color gris claro que probablemente son Fe3SiAl12 en una

matriz de solución sólida de aluminio.8

7 http://www.ulbrinox.com.mx/public/pdf/aluminio.pdf 8 ASM Metals Handbook Vol 9 editorial; Edición 1ra; Pág. 770.

Imagen N9. Micrografia de

alumínio longitudinal a 500X.

Fuente: Autores

Jeniffer Tatiana Becerra Moreno

Oscar Andrés Corredor Pedraza

FeAl3

Matriz de

AL

13

Donde podemos observar con claridad la fase de silicio eutéctico que se encuentra

en la micrografía. De acuerdo con la micrografía tomada del Handbook se

encuentra con un porcentaje de 12% de Si9 donde en el diagrama de equilibrio se

ubica así:

9 ASM Metals Handbook Vol 9 editorial; Edición 1ra; Pág. 730

Imagen N10. Aleación 413-F.

500X

Fuente:

ASM Metals Handbook Vol 9

editorial; Edición 1ra; Pág. 770

figura 133

Silicio

eutéctico Aluminio

Imagen N11. Micrografia de

alumínio longitudinal a 500X.

Fuente: Autores

Jeniffer Tatiana Becerra Moreno

Oscar Andrés Corredor Pedraza

Silicio

eutéctico

Aluminio

14

10

Se puede observar que la aleación solidifico a temperatura de 580°C. Esta

aleación se encuentra conformada por Al + E. Donde el eutéctico está conformado

por silicio + Aluminio.

Después de que empieza la solidificación, a medida que disminuye la temperatura

va aumentando la cantidad de eutéctico y disminuye la cantidad de aluminio.

2.4. CUADRO COMPARATIVO

ALUMINIO ALEACION

NOMENCLATURA DE LA ALEACION

1XXX

6XXX

TAMAÑO DE GRANO 2 7

FASES PRESENTES Aluminio + FeAl3(0.95%) Aluminio88% + silicio12% DUREZA 39 Rb

10 ASM Metals Handbook Vol 3 editorial; Edición 1ra; Pág. 321

Al + E

15

2.5. PROMEDIO DE DUREZAS

Para el ensayo de dureza se utilizó el ensayo Rockwell donde se pudo observar la

dureza o resistencia de un material. Ya que se contaba con una probeta de dureza

baja se implementó un penetrador de bola esférica de acero endurecido

(templado y pulido) de 1/16, 1/8, ¼ y ½ pulg. Se aplicó una fuerza de 980.7 Kp.

donde se realizó el ensayo de dureza a la probeta de aluminio.

Donde su promedio es de 39Rb.

Dureza 1 38 Rb

Dureza 2 39 Rb

Dureza 3 40 Rb

Imagen N12.

Durometro. Fuente:

Autores

Jeniffer Becerra

Oscar Corredor

16

2.6. ANALISIS DE RESULTADOS

Por medio de comparación de tamaño de grano podemos determinar que la

aleación tiene mayor dureza y mayor resistencia11 que el aluminio puro debido a

que el tamaño de grano de la aleación es pequeño mientras que el del aluminio

puro es más grande. También se puede observar que el aluminio puro es mejor

conductor que la aleación ya que el aluminio no presenta distorsión en la

estructura cristalina.

Se puede observar que el aluminio no es totalmente puro porque se encuentra una

fase de FeAl3, o también se podría encontrar una fase de óxidos de silicio, estos

en menor proporción que el aluminio puro esta aleación es conocida en la

industria como 1xxx. Estas fases se consideran impurezas del material pero estas

impurezas provienen desde su mineral de origen la bauxita ya que esta contiene

en su mayoría por alúmina y, en menores proporciones óxido de hierro y sílice; el

proceso Bayer no deja totalmente puro al metal de aluminio, y se encuentran las

impurezas mezcladas con este.

La aleación de aluminio silicio se desarrolla con el fin de mejorar las propiedades

mecánicas del aluminio, esta aleación tiene una buena resistencia a la corrosión

ocasionada por el aire, son muy aptas para procesos de extrusión y forja en

caliente; además tienen buen comportamiento para ser trabajadas en procesos de

deformación en frio y adquieren una excelente textura en procesos de anodizado.

Debido a que el silicio tiene una alta dureza, al unirse con el aluminio mejora las

propiedades mecánicas de este, pero también pierde conductividad térmica y

eléctrica. Se debe tener en cuenta que al alear el aluminio el silicio y el magnesio

con el fin de formar siliciuro de magnesio (Mg2Si) permite mejorar las propiedades

con el fin de que puedan ser tratadas térmicamente. 12

11

http://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/grano.htm 12 http://www.metalactual.com/revista/31/materiales_aleaciones.pdf

17

2.7. CONCLUSIONES

La preparación metalográfica del aluminio es compleja debido a que es un

metal poco duro, al hacer el desbaste con el esmeril, basta con hacer u n

poco de presión para que la pieza adquiera la forma ideal, el lijado de la

pieza se debe hacer con la misma presión en todas las zonas.

Para el ataque de las probetas que contiene aluminio, es necesario hacer

un precalentamiento del ácido con el cual se va a atacar, para que este

corroa mejor, y la microestructura se observe mejor.

El aluminio es un muy buen conductor, esto se debe a que en el proceso de

enfriamiento se busca también que el material no pierda energía mientras

se enfría13

Una gran parte de las aleaciones de aluminio son utilizadas en la

construcción de partes al servicio de la industria aeroespacial. Esto se

consigue mediante tratamientos térmicos, los cuales buscan obtener

durezas hasta de 180 Brinell 14

13 http://www.metalactual.com/revista/31/tratamientos_termicos.pdf 14 http://www.metalactual.com/revista/31/tratamientos_termicos.pdf

18

2.8. BIBLIOGRAFIA

2.8.1. Sydney, introducción a la metalurgia, pág. 477, 485, 488.

2.8.2. Norma ASTM E-112-96 reprobada en el 2004 Pág. 3.

2.8.3. ASM Metals Handbook Vol 9 editorial; Edición 1ra; Pág. 730

2.8.4. ASM Metals Handbook Vol 3 editorial; Edición 1ra; Pág. 321

2.8.5. ASM Metals Handbook Vol 9 editorial; Edición 1ra; Pág. 770.

19

2.9. INFOGRAFIA

2.9.1. http://www.ulbrinox.com.mx/public/pdf/aluminio.pdf

2.9.2. http://www.metalactual.com/revista/31/materiales_aleaciones.pdf

2.9.3. http://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4

/grano.htm

2.9.4. http://www.metalactual.com/revista/31/tratamientos_termicos.pdf