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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