M1 Lectura4 2018-1 - Axel

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Lectura 4 
EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES 
 
4.1 Antecedentes. 
El aluminio, a pesar de ser el metal más difundido en la corteza terrestre 
(aproximadamente 8%), tiene, comparativamente con otros metales, poco tiempo de ser 
conocido ya que fue en 1825 en que se considera que el químico danés Hans Christian 
Orsted logró aislarlo por primera vez por electrólisis. Su proceso de reducción resultaba 
muy complejo, por lo que es hasta 1854, cunao Henri Sainte-Claire Deville obtuvo el metal 
en Francia reduciendo cloruro de aluminio con sodio. Con el apoyo financiero de 
Napoleón III, Deville estableció una planta experimental a gran escala, y en la exposición 
de París de 1855 exhibió una barra de aluminio 
puro (http://www.arqhys.com/arquitectura/aluminio-historia.html). La complejidad de los 
procesos de refinación, dieron como resultado, durante las primeras ocho décadas del 
siglo XIX, una muy limitada disponibilidad y un elevado costo. Por lo que aún a principios 
de la segunda mitad del siglo XIX se le consideraba un metal tan raro y precioso como el 
mismo oro. Esto dio lugar a que Napoleón III usará platos de aluminio para servir a sus 
invitados, como muestra de riqueza y poder. Por su parte el 1884 para culminar el 
monumento a George Washington (obelisco en Washington D.C., EUA) se colocó la 
mayor pieza de aluminio fundido producida hasta ese momento, con un peso de 100 
onzas (2.8 Kg). Las propiedades del aluminio, ya para mediados del siglo XIX habían sido 
estudiadas, por lo que Julio Verne, en 1865, en su novela de la Tierra a la Luna propone 
que la nave sea producida de aluminio, dada su extraordinaria ligereza con respecto a los 
aceros. Todo cambio a partir de 1886, cuando Charles Hall (estudiante del Colegio 
Oberlin) y el ing. Francés Paul Herault, de manera separada y simultáneamente, 
desarrollan un proceso económico de refinación, a partir del óxido de aluminio, mediante 
procesos electrolíticos (Hall obtuvo en EUA la patente 400,666 en 1889). El 
descubrimiento de Hall y Herault se complementa con el realizado por el ing. Austriaco 
Karl Josef Bayer quien para 1887 desarrolla un proceso que permite extraer alumina 
(óxido de aluminio) de la bauxita (mineral de aluminio).Es por tanto que 1889 se empieza 
a producir aluminio a costos que lo hacen cada vez más accesible, situación que 
conforme se desarrolla y extiende la industria eléctrica en el mundo, hacen que pase de 
ser un material muy escaso a uno de los más usados en nuestros días. Su baja densidad, 
alta conductividad, reducida temperatura de fusión (660°C), posibilidad de alearse con 
otros metales y mejorar sus propiedades mecánicas, su alta resistencia a la corrosión, su 
facilidad para reciclarse al 100% entre otras propiedades permitieron su uso en artículos 
decorativos, empaque, estructuras utilizadas en construcción y en equipo de transporte, 
http://www.arqhys.com/arquitectura/aluminio-historia.html
industria eléctrica y aeroespacial, por solo mencionar algunos de los múltiples campos de 
aplicación. 
 
Así como el desarrollo en la producción del aluminio está ligado con el crecimiento de la 
industria eléctrica, lo mismo se puede decir con la industria de la aviación, desde las primeras 
experiencias de los hermanos Wrigth, estos emplean aluminio en la construcción de los 
motores, ya que para 1915 el diseñador alemán Hugo Junkers construye el primer monoplano 
(modelo J 1) a partir de utilizar una aleación de AlCuMgMn 
(https://www.metalsupermarkets.com/history-of-aluminum-in-the-aerospace-industry/). 
 
El desarrollo de una importante infraestructura hidroeléctrica en EUA permitió un amplio uso 
de éste y sus aleaciones en estructuras para aviones, lanchas, componentes de radar; en el 
caso de Alemania se extendió su empleo hasta la producción de componentes fundidos para 
armas de mano, en sustitución de elementos forjados y maquinados de acero. Adicional a lo 
anterior se utilizó también en la fabricación de explosivos. De mediados del siglo XX hasta 
nuestros días sus aplicaciones han ido creciendo encontrándose en la producción de latas, en 
1959 Coors Brewing popularizó la aplicación de latas de dos piezas formadas por embutido y 
estirado (Aluminium Asociation, http://www.aluminum.org/aluminum-advantage/history-
aluminum), en la creciente aplicación en la producción de carrocerías para automóviles, 
elementos extruidos para ventanería, estructuras de soporte para laptops, iPads, iPhones y 
demás equipo electrónico, donde cada día sustituye a otros materiales, aún a plásticos, debido 
a la combinación positiva de sus propiedades. 
 
La producción mundial de aluminio primario (sin contar el reciclado) para junio presente 
año (2017) se estima será de 5.189 millones de toneladas, la cual refiere a la importancia 
que este metal tiene siendo solo superada por el acero. Al igual que para el acero y para 
el cobre el principal consumidor mundial es China; en la tabla 4.1 se muestra la 
producción mundial para 2016. De acuerdo con el reporte de enero de 2017 U.S. 
Geological Survey [U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2017] la 
importación de países como los EUA y Canadá se incrementó en 2016 (18% con relación 
al 2015) debido a la disminución de la producción interna. Por su parte Canadá 
incremento su importación en 22%. Durante el periodo analizado los precios se 
incrementaron de 0.67 a 0.74 US dólar/lb (1475 a 1630 US dólar/ton), para enero de 2017 
este alcanzó los 1791.24 dolares/tonelada, mientras que al día de elaborar estas notas se 
presentó el menor precio en más de un año con 1745 dólares/ ton [El financiero, 8 de 
agosto de 2017]. La tendencia generalizada a incrementar su costo de manera sostenida 
https://www.metalsupermarkets.com/history-of-aluminum-in-the-aerospace-industry/
http://www.aluminum.org/aluminum-advantage/history-aluminum
http://www.aluminum.org/aluminum-advantage/history-aluminum
se ha dado por el continuo incremento de la demanda, muy a pesar de las reservas que 
se tienen en almacén. Por otra parte la disposición de minerales (bauxita), estimados de 
55 a 75 mil millones de toneladas permite considerar que el abasto está garantizado para 
el futuro. Por otra parte si se llega a tener problemas de abasto este puede ser sustituido 
en algunas de sus aplicaciones típicas como son las estructuras aeronáuticas por 
materiales compuestos, en envase por vidrio, papel y plásticos; para el caso de 
transportes se pueden utilizar acero, aleaciones de magnesio, aleaciones de titanio y 
materiales compuestos; y en aplicaciones eléctricas puede ser remplazado por el cobre. 
 
Tabla 4.1 Producción de aluminio primario en el año 2016 [U.S. Geological Survey, Mineral 
Commodity Summaries, January 2017]
 
. 
4.2 Procesamiento del aluminio 
 Como ya ha sido mencionado el proceso de fabricación del aluminio primario inicia con la 
producción de alumina 2 3Al O El proceso Bayer es el principal método industrial para 
producir alúmina a partir de bauxita, éste se basa en la disolución de la bauxita 
con hidróxido de sodio. 
La bauxita es el mineral de aluminio más importante y por consecuencia la principal fuente 
de obtención de éste. En general se trata de mezclas de alumina hidratada [Gibbsita 
 
3
Al OH , Bohemita ( )Al OOH o Diaspora AlOOH ]. El tipo de mineral, sus 
características físicas y los otros compuestos químicos presentes (Silicatos, óxidos, 
carbonatos, óxidos de titanio, entre otros) determinaran los métodos de extracción. Fue 
identificada inicialmente por el geólogo francés Pierre Berthier en 1821 en unos depósitos 
ubicados en la provincia francesa de Le Baux, de la cual se desprende su nombre, con el l 
que fue bautizada por el químico Henri Sainte-Claire Deville (1861). De acuerdo a su 
origen pueden encontrarse bauxita mezclada con silicatos (trópicos), carbonatadas 
(Europa, Guyana, Jamaica). 
En el proceso Bayer, primero se muelela bauxita y luego se lava con 
una disolución caliente de hidróxido de sodio (sosa), NaOH. La sosa disuelve los 
minerales de aluminio pero no los otros componentes de la bauxita, que permanecen 
sólidos, permitiendo así su separación. Las reacciones químicas que ocurren en esta 
etapa son: 
Al(OH)3 + OH- + Na+ → Al(OH)4- + Na+ 
AlO(OH) + OH- + H2O + Na+ → Al(OH)4- + Na+ 
La temperatura de proceso se escoge en función de la composición de la bauxita (tipo de 
minerales con la que está mezclada), para lo que se requieren temperaturas de 150 a 280 
ºC [World Aluminium Organization, http://bauxite.world-aluminium.org/refining/process/]. 
El  
4
Al OH

 se precipita en forma de hidróxido de aluminio, de forma que: 
Al(OH)4- + Na+ → Al(OH)3 + OH- + Na+ 
De tal forma la sosa se recicla reiniciando el proceso. Por último el hidróxido de aluminio 
se calienta (calcina) a una temperatura de 1050 a 1100°C, para formar alumina a la vez 
de liberar vapor de agua: 
  2 3 232 3Al OH Al O H O  
https://es.wikipedia.org/wiki/Al%C3%BAmina
https://es.wikipedia.org/wiki/Bauxita
https://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3xido_de_sodio
https://es.wikipedia.org/wiki/Aluminio
https://es.wikipedia.org/wiki/Disoluci%C3%B3n
https://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3xido_de_sodio
https://es.wikipedia.org/wiki/Reacci%C3%B3n_qu%C3%ADmica
https://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3xido
https://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3xido
https://es.wikipedia.org/wiki/Agua
https://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura
https://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3xido
 El proceso de refinación del aluminio termina al mezclar la alumina con criolita 
_hexafluoroaluminato de sodio-  3 6Na AlF el cual tiene la habilidad de disolverla a una 
temperatura del orden de 960 a 1000°C, una vez diluida la alumina se hace pasar una 
corriente eléctrica a través del baño (proceso Hall-Héroult). El crisol en el que se funde la 
solución de criolita con alumina está revestido de carbón, el cual actúa como cátodo al 
paso de la corriente, de tal forma que se lleve a efecto la reacción;
2 3 22 3 4 3Al O C Al CO   
El aluminio líquido es más denso que la criolita, razón por la que se deposita en el fondo 
del crisol, del cual se extrae para ir ya solidificándolo, obteniendo aluminio de 99.5%. El 
costo del proceso está definido por el consumo de corriente de corriente eléctrica, la cual 
suministra la energía que se requiere para pasar del estado de óxido al metálico. 
 
4.3 Aleaciones de aluminio 
Una de las grandes cualidades del aluminio es su capacidad para alearse con elementos 
como el cobre, silicio, manganeso y zinc entre otros permitiendo variar sus propiedades 
de forma muy amplia. Ya desde inicios del siglo XX se encontró que al alearlo con 
pequeños porcentajes (menores del 5%) de cobre se podía endurecer por precipitación, 
situación que abrió amplias posibilidades para los, inicialmente denominados, 
duraluminios. En general sus aleaciones se caracterizan por heredar sus características 
como bajo peso, buena apariencia, resistencia a la atmósfera, facilidad de colada y desde 
luego en algunos casos su factibilidad de endurecer por tratamiento térmico. 
De acuerdo a la Aluminium Association, la designación para aleaciones de conformado 
emplea 4 dígitos cuyas familias se presentan en la figura 4.1. Las aleaciones de colada 
son del tipo AlSiX, esto en virtud de las excelentes propiedades que proporciona el silicio 
(disminución de la temperatura de colada -aleaciones eutécticas-, menores tendencias a 
la absorción de hidrógeno del ambiente, menor viscosidad, entre otras). 
La serie 1xxx se refiere a aluminios “puros”, donde la concentración del aluminio por 
arriba del 99% está definida por los dos últimos dígitos. En general de trata de materiales 
de una alta conformabilidad, suaves y que solo se pueden endurecer por deformación en 
frío; se caracterizan también por su alta resistencia a la corrosión en la atmósfera y su 
elevada conductividad del orden del 67% de la del cobre, mientras que la densidad del 
aluminio es un tercio de la del acero, por consecuencia la relación de conductividad a 
densidad es mayor para el aluminio que para el cobre (24.8 a 11.5 ó dicho de otra forma 
la conductividad del aluminio de alta pureza, por unidad de masa es 215% la del cobre). 
La serie 2xxx se refiere a las aleaciones AlCu, aunque también existen AlCuMg, éstas 
pueden ser endurecidas por envejecimiento natural y artificial (precipitación). Su principal 
característica es su favorable relación resistencia a peso. Por otra parte dada su menor 
resistencia a la corrosión es usual que éste tipo de materiales sean recubiertos con una 
delgada capa de aluminio puro para garantizar así resistencia al medio ambiente 
combinada con una elevada resistencia mecánica. Debido a sus características 
mecánicas su principal aplicación es como elemento estructural. En general presentan 
buena maquinabilidad 
 
 
Figura 4.1 Designación de las aleaciones de aluminio para conformado [Aluminium Association] 
 
Serie 3xxx, en estos materiales el elemento de aleación principal es el manganeso, el cual 
se adiciona en porcentajes menores al 1.5% obteniendo buenas propiedades mecánicas 
(las cuales son inferiores a las de la serie 2xxx) y capacidad de deformación, razón por la 
que se utilizan en utensilios de cocina, mobiliario, cambiadores de calor y aplicaciones 
arquitectónicas. La más usual es la 3003. 
Serie 4xxx, su aleante principal es el silicio (se tiene un eutéctico alrededor del 12%Si), el 
que es adicionado en porcentajes del orden del eutéctico AlSi, por tal motivo muchas de 
sus aplicaciones se encuentran más bien como material para colada (cambiando 
entonces la forma de designar). 
Serie 5xxx, pueden ser aleaciones AlMg y AlMgMn; ambos elementos producen 
endurecimiento en la aleación resultante, aún con aportaciones tan limitadas como 
0,8%Mg, 1.25%Mn. Presentan mejor resistencia a la atmósfera que las AlCu, sin alcanzar 
sus propiedades mecánicas. Por tal motivo tiene aplicación como elementos estructurales. 
Serie 6xxx, éstas se caracterizan por ser aleaciones AlMgSi, endurecibles por tratamiento 
térmico a través de la precipitación de 2Mg Si . Si bien no son las de mayor resitencia 
mecánica, si combinan ésta con la formabilidad, maquinabilidad y soldabilidad, por lo que 
son utilizadas en la producción de cuadros para bicicletas, aplicaciones arquitectónicas y 
elementos estructurales de media resistencia. 
Serie 7xxx, pueden tener de 1 a 8% de Zn, adicionándose también Mg para que la 
aleación responda al tratamiento térmico, así como también se adicionan en pequeños 
porcientos Cu y Cr. Con esto se maximiza la resistencia, con lo que pueden ser utilizadas 
para elementos estructurales de alta resistencia y en general en equipo de transporte 
donde la relación resistencia a peso debe de ser maximizada. 
En la actualidad se está trabajando en la familia de las aleaciones aluminio-litio, debido a 
que se combina máxima resistencia con mínimo peso. Para esto es necesario recordar 
que el litio es el metal de menor densidad (  3534 /Kg m , sin embargo, también es 
necesario recordar la extrema actividad de este tipo de elementos, lo cual vuelve muy 
complejo su procesamiento. 
Si bien el efecto del litio se estudió desde la década de 1920 en Alemania, no fue sino 
hasta 1957 cuando aparecieron las primeras aleaciones estandarizadas, orientadas éstas 
a la aeronáutica militar, siendo desechadas posteriormente debido a los problemas de 
segregación y limitada tenacidad que influían negativamente en la seguridad de la 
estructura. En la actualidad la 8090 y 8091 son las de mayor aplicación. Las cuales fueron 
desarrolladas por Alcoa (EUA) y Alcan (Canadá, Gran Bretaña). Las principales ventajas 
que se tienen son su menor densidad, mayor resistencia mecánica, mayor rigidez, mayor 
resistencia a temperaturas por arriba de la ambiente, buena tenacidada temperaturas 
criogénicas, mayor resistencia a la fatiga que las AlZn, buena resistencia a la atmósfera. 
Dado el elevado costo del litio y los cuidados que se deben de tener por su elevada 
reactividad química estas aleaciones resultan mucho más caras (200 a 400%) que las 
AlCu o las AlZn por lo que su aplicación se relaciona sobre todo con la industria 
aeronáutica militar. 
4.4 Procesamiento del Al y sus aleaciones 
El gran compromiso que existe entre todas las propiedades del aluminio y sus aleaciones 
hace a éstas, materiales ideales para poder ser producidos por muy diferentes métodos. 
Su limitada temperatura de fusión (660°C), aunada a su viscosidad en estado líquido y la 
posibilidad de formar eutécticos (AlSi) con temperaturas de fusión de hasta 560°C permite 
que sean ampliamente utilizadas para procesos de colada, tanto por gravedad en arena, 
como en matriz, a baja presión o por inyección; pudiendo alcanzar espesores menores de 
un milímetro. Por otra parte, son altamente conformables tanto en caliente como en frío 
por lo cual pueden ser procesados por forja (aleaciones de alta resistencia, por ejemplo, 
AlCu, para aplicaciones mecánicas), laminación (producción de placas y láminas), 
pudiendo ser producidos películas de menos de 0.1 mm de espesor. Por extrusión se 
pueden producir piezas sólidas y huecas tales como perfiles altamente complejos o 
tuberías con aletas de enfriamiento. Es factible también estirar y obtener alambres y 
procesar por embutido y estirado para fabricar latas con espesores de 0.2 mm y aún 
menores. Dentro de los materiales de uso diario corresponde a las aleaciones de 
aluminio las mayores ventajas para su procesamiento. 
 
Figura 4.2 Temperaturas de tratamiento térmico de las aleaciones AlCu 
 
 
Figura 4.3 Diagrama AlCu 
 
 
 
Figura 4.4 Diagrama AlMn 
 
 
4.5 Diagrama de fases AlMg 
 
 
Figura 4.6 Diagrama AlMgSi 
 
 
Figura 4.7 Diagrama AlSi 
 
 
Figura 4.8 Diagrama AlZn 
 
4.9 Diagrama AlLi 
 
Piezas de Aluminio y sus aleaciones producidas por fundición 
 
Figura 4.10 Piezas fundidas de aluminio, corazas para motor eléctrico 
 
Figura 4.11 Bloque de motor en aluminio 
 
 
4.12 Múltiple de admisión 
 
 
4.13 Pistones fundidos 
 
COMPONENTES FORJADOS 
 
Bielas de aluminio forjadas 
 
Componente forjado en aluminio para motocicleta 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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