Introducción
El aluminio es un metal cuyo teen el campo de las construcciones mecánicas es relativamente reciente (1888-1890). Las principales cualidades de este metal son: ligereza (1/3 respecto al acero), mejor fusibilidad, buenas características para su mecanizado en máquinas herramientas yoce óptima capacidad de disipación de calor (aproximadamente, 3,5 veces superior a la del acero).
El carbono es el material que constituye el ánodo (electrodo
positivo de la celda), y dado que se forma CO2 (g), éste se va
consumiendo, es decir, que las barras de carbono son un insumo en la producción
del aluminio.
Proceso de obtención del aluminio
Proceso primario
Proceso Bayer:purificación de bauxita, obtención de
alúmina.
El mineral bauxita se muele y se trata con cal (CaO) en
caliente. Por precipitación, se separa el material más grueso (arena). Se
enfría la mezcla y precipita un sólido. Este se lava con agua. Luego se calcina
(tratamiento a alta temperatura) y se obtiene finalmente la alúmina (Al2O3).
Proceso Hall-Héroult: electrólisis de la alúmina para
obtener aluminio.
La clave para obtener aluminio consiste en reducir el catión
Al3+ para formar Al°. El pasaje de corriente eléctrica a través de
la celda de reacción (celda electrolítica) permite hacer esta transformación.
Recuerden que un compuesto iónico en estado sólido no
conduce la corriente eléctrica. Los iones no pueden moverse libremente
transportando carga eléctrica cuando están formando parte de la red cristalina.
En cambio, sí pueden hacerlo en estado fundido (vean las actividades Iones I
y II).
La temperatura de fusión de la alúmina (Al2O3)
es superior a los 1500 °C. El costo en energía y construcción de un reactor que
opere a tan alta temperatura es muy elevado. Sin embargo, una mezcla de alúmina
y criolita (Na3AlF6) funde a 1000 °C, aproximadamente. La
criolita entonces actúa como fundente.
En la celda electrolítica tiene lugar la siguiente reacción:
Propiedades mecánicas del aluminio
Peso Específico del Aluminio
El Peso Específico del aluminio es de 2,7 gr/cm3
Notable ligereza
Este es el más ligero de los metales. Esta cualidad es
determinante para su empleo como material estructural y de recubrimiento, por
ejemplo, tiene importantes aplicaciones en ingeniería industrial aeronáutica ,
naval y espacial.
Resistencia Mecánica
El aluminio en estado puro (tocho) tiene muy baja
resistencia mecánica.
Son mucho mayores sus prestaciones cuando se lo alea
con cobre, silicio y magnesio. También, sometiéndolo a procesos físicos de
templado y estirado en frío.
Rigidez
El aluminio posee 1/3 de la rigidez del acero.
Módulo Elástico
El módulo elástico del aluminio es de alrededor de
65.000 N/mm2, en comparación, el módulo elástico del acero, se
encuentra en los 200.000 N/mm2.
Punto de Fusión
El punto de fusión del aluminio es muy bajo: 658ºC.
Coeficiente de Dilatación Lineal
Es muy bajo en relación al acero: 23.10-6 ºC-I.
Ductilidad
La ductilidad es una característica notable en el
aluminio; es un material muy maleable y de gran ductilidad, mucho más fácil de
conformar que el acero.
Apto para Extrusión
Puede extruirse con facilidad, por lo cual es un
material apto para la fabricación de perfiles de secciones complejas, huecos o
abiertos, y de dimensiones pequeñas.
Dureza
El aluminio es un metal blando, se corta y se raya con
suma facilidad.
Inalterabilidad
Es prácticamente inalterable frente al ataque de gran
cantidad de sustancias químicas.
Es atacado por ácidos orgánicos, ácido clorhídrico y
álcalis. También lo afectan el yeso húmedo, el cemento y la cal, al ponerse en
contacto manchan la superficie.
Conductividad
Conductividad Térmica
Al igual que todos los metales posee un coeficiente de
conductividad térmica muy elevado. Por esta razón no es apto como material de
aislamiento térmico. Existen espumas de aluminio que pueden reducir sus propiedades
conductivas y sirven también como aislantes acústicos.
Conductividad Eléctrica
Posee una de las más elevadas entre los metales,
situándose detrás del cobre. Por tal razón, se lo usa en la fabricación de
componentes eléctricos y cables de alta, media y baja tensión.
Índice de Reflexión
Posee un alto índice de reflexión de los rayos
solares, lo cual hace que este material sea adecuado para la fabricación de
aislantes termorreflectantes.
Resistencia a la Difusión de Vapor
Por ello se lo emplea como barrera de vapor para
impedir condensaciones instersticiales en aislamientos térmicos.
Electronegatividad
Muy elevada en comparación con otros metales.
Para que no se oxide debe protegerse con una lámina de
plástico, con pintura o con un metal de electronegatividad afín para impedir
que forme un par galvánico
Utilización del aluminio en el automóvil.
El aluminio es un material que a comenzado a ser
utilizado en vehículos de grandes prestaciones, sobre todo en bloques
de motor, culatas, elementos mecánicos , radiadores,...
Posteriormente Rover comenzó a utilizar el aluminio en la fabricación
de sus vehículos, debido al excedente que había en esa época.
Hasta hace unos años el aluminio solo se encontraba en modelos exclusivos,como
Ferrari, Jaguar,... Sin embargo el uso de este material
en carrocerías enteras se ha extrapolado a vehículos fabricados en
serie, como: Audi A8, A2, R8, Mercedes SLS, Land rover Defender,..
Posteriormente Rover comenzó a utilizar el aluminio en la fabricación de sus vehículos, debido al excedente que había en esa época.
Hasta hace unos años el aluminio solo se encontraba en modelos exclusivos,como Ferrari, Jaguar,... Sin embargo el uso de este material en carrocerías enteras se ha extrapolado a vehículos fabricados en serie, como: Audi A8, A2, R8, Mercedes SLS, Land rover Defender,..
Características del aluminio en el automóvil
Ligereza:
El peso especifico es de, la tercera parte del peso del acero, lo que puede
llegar a suponer una disminución del 40% del peso total de la carrocería. Así,
disminuye el consumo de combustible aproximadamente en 0’5 litros cada 100 Km y
cada 10% de disminución en peso. Por lo tanto, también se producirá una
reducción directa de las emisiones contaminantes (CO2 – Dióxido de carbono) a
la atmósfera.
Seguridad:
Los vehículos se diseñan con un habitáculo suficientemente rígido, en
combinación con zonas de deformación programada, tanto en la parte frontal como
en la posterior. En estos dos aspectos donde el aluminio tiene un
comportamiento excelente, ya que las carrocerías de este material suelen ser
mucho más rígidas que las de acero, además de permitir crear perfiles y
elementos de deformación capaces de disipar gran parte de la energía de un
impacto.
Por ello, aunque la carrocería de algunos vehículos sea de
acero, montan como absorbedores de impacto o almas de paragolpes elementos de
aluminio.
La mejora de la seguridad en los vehículos de aluminio también se debe a la
menor energía de choque producida, debida, a la menor energía cinética que
habrá que disipar en caso de impacto.
Desde el punto de vista de la seguridad activa, la capacidad de respuesta de
los vehículos construidos en este material, con motores más pequeños, es mayor,
mejorando la relación peso-potencia. Además, como la masa a detener en una
frenada de emergencia es menor, aumenta la efectividad de los sistemas de
frenado, aumentando la velocidad de paso en curvas al disminuir la masa y, por
lo tanto, la fuerza centrífuga generada.
La rigidez (a torsión y flexión) de la carrocería es mayor, favoreciendo así la
respuesta del vehículo y su seguridad activa
Reciclabilidad del aluminio:
Su facilidad para ser reciclado lo hace más atractivo para los constructores,
puesto que en el proceso de reciclado con escasos aportes de energía, se
mantiene la calidad del material extraído por este procedimiento, generando un
ahorro importante comparado con la extracción del aluminio primario: (Bauxita).
Protección contra la corrosión:
La facilidad de reacción del aluminio con el oxígeno hace que se recubra con
una capa de oxido (Alúmina), que protege al material contra la oxidación, de
forma natural.
Sin embargo, su uso no puede combinarse con materiales de diferente potencial
electroquímico sin las debidas precauciones, pues se originan procesos de
corrosión galvánica con la consiguiente destrucción del aluminio. Por ello se a
de evitar el contacto entre el aluminio y el acero, usando diferentes
recubrimientos o adhesivos de baja conductividad eléctrica, para evitar en todo
momento, este problema.
Capacidad de conformación:
La conformabilidad del aluminio es notablemente mejor y más fácil de lograr que
la del acero, mediante los sistemas de embutición, extrusionado, forja,
fundición, mecanizado y laminado, todo ello con menores gastos energeticos.
Extrusión:
Esta técnica consiste en hacer pasar un disco o pastilla de aluminio por un
hueco calibrado, con la ayuda de un punzón o embolo ajustando su geometría de
manera progresiva como barras o tubos y perfiles.
Embutición:
La técnica consiste en la configuración de una forma plana para transformarla
en un hueco con superficie no desarrollable mediante la acción combinada de un
conjunto punzón-embutidor y matriz-embutidora.
Forja:
Consiste en el moldeo de un material a través de una compresión, hasta
conseguir la forma deseada.
Fundición:
Este procedimiento se hace mediante diferentes técnicas, como la fundición en
coquilla, en arena, o de forma inyectada, la colada o el material fundido es
introducido en un molde. Tras su enfriamiento, adquiere la geometría final
deseada.
Mecanizado:
En el mecanizado, la forma de la pieza es aportada mediante una herramienta de
corte (fresa o cuchilla), la cual está fija o en movimiento respecto a las
piezas, según el procedimiento de mecanizado empleado.
Laminación:
Técnica consistente en modificar la sección de una pieza, con fuerzas de
compresión generadas al pasar el material por cilindros rotativos, que giran a
igual velocidad tangencial.
De esta manera se obtienen laminas o chapas de diferentes espesores, que
servirán como producto preformado para otras aplicaciones como las operaciones
de estampación o embutición.
Generalmente, tras finalizar el proceso de laminación, las
chapas son endurecidas mediante un proceso térmico, denominado termofraguado,
donde las piezas son calentadas a una temperatura en torno a 200º C, durante 30
minutos. De esta manera, se mejora el limite elástico y la resistencia a la
tracción.
El peso especifico es de, la tercera parte del peso del acero, lo que puede llegar a suponer una disminución del 40% del peso total de la carrocería. Así, disminuye el consumo de combustible aproximadamente en 0’5 litros cada 100 Km y cada 10% de disminución en peso. Por lo tanto, también se producirá una reducción directa de las emisiones contaminantes (CO2 – Dióxido de carbono) a la atmósfera.
Seguridad:
Los vehículos se diseñan con un habitáculo suficientemente rígido, en combinación con zonas de deformación programada, tanto en la parte frontal como en la posterior. En estos dos aspectos donde el aluminio tiene un comportamiento excelente, ya que las carrocerías de este material suelen ser mucho más rígidas que las de acero, además de permitir crear perfiles y elementos de deformación capaces de disipar gran parte de la energía de un impacto.
La mejora de la seguridad en los vehículos de aluminio también se debe a la menor energía de choque producida, debida, a la menor energía cinética que habrá que disipar en caso de impacto.
Desde el punto de vista de la seguridad activa, la capacidad de respuesta de los vehículos construidos en este material, con motores más pequeños, es mayor, mejorando la relación peso-potencia. Además, como la masa a detener en una frenada de emergencia es menor, aumenta la efectividad de los sistemas de frenado, aumentando la velocidad de paso en curvas al disminuir la masa y, por lo tanto, la fuerza centrífuga generada.
La rigidez (a torsión y flexión) de la carrocería es mayor, favoreciendo así la respuesta del vehículo y su seguridad activa
Su facilidad para ser reciclado lo hace más atractivo para los constructores, puesto que en el proceso de reciclado con escasos aportes de energía, se mantiene la calidad del material extraído por este procedimiento, generando un ahorro importante comparado con la extracción del aluminio primario: (Bauxita).
Protección contra la corrosión:
La facilidad de reacción del aluminio con el oxígeno hace que se recubra con una capa de oxido (Alúmina), que protege al material contra la oxidación, de forma natural.
Sin embargo, su uso no puede combinarse con materiales de diferente potencial electroquímico sin las debidas precauciones, pues se originan procesos de corrosión galvánica con la consiguiente destrucción del aluminio. Por ello se a de evitar el contacto entre el aluminio y el acero, usando diferentes recubrimientos o adhesivos de baja conductividad eléctrica, para evitar en todo momento, este problema.
La conformabilidad del aluminio es notablemente mejor y más fácil de lograr que la del acero, mediante los sistemas de embutición, extrusionado, forja, fundición, mecanizado y laminado, todo ello con menores gastos energeticos.
Extrusión:
Esta técnica consiste en hacer pasar un disco o pastilla de aluminio por un hueco calibrado, con la ayuda de un punzón o embolo ajustando su geometría de manera progresiva como barras o tubos y perfiles.
Embutición:
La técnica consiste en la configuración de una forma plana para transformarla en un hueco con superficie no desarrollable mediante la acción combinada de un conjunto punzón-embutidor y matriz-embutidora.
Forja:
Consiste en el moldeo de un material a través de una compresión, hasta conseguir la forma deseada.
Este procedimiento se hace mediante diferentes técnicas, como la fundición en coquilla, en arena, o de forma inyectada, la colada o el material fundido es introducido en un molde. Tras su enfriamiento, adquiere la geometría final deseada.
Mecanizado:
En el mecanizado, la forma de la pieza es aportada mediante una herramienta de corte (fresa o cuchilla), la cual está fija o en movimiento respecto a las piezas, según el procedimiento de mecanizado empleado.
Laminación:
Técnica consistente en modificar la sección de una pieza, con fuerzas de compresión generadas al pasar el material por cilindros rotativos, que giran a igual velocidad tangencial.
De esta manera se obtienen laminas o chapas de diferentes espesores, que servirán como producto preformado para otras aplicaciones como las operaciones de estampación o embutición.
Aleaciones del aluminio en el automóvil
1.- Aluminio-bronce: Los bronces de aluminio son valorados debido a
su resistencia más alta a la solicitación mecánica y a la corrosión con
respecto a la de otros bronces.Además muestra índices bajos de corrosión en
condiciones atmosféricas, y buena resistencia a temperaturas altas.
Aplicaciones: tornillería,
llantas,...
2.- Aluminio-Cobre: Esta aleación
aumenta las propiedades mecánicas del material, además de reducir la corrosión.
Aplicaciones: Pistones.
3.- Aluminio-Silicio: La aleación de aluminio y silicio le
otorga al material una alta resistencia a la corrosión, y un bajo coeficiente
de expansión.
Aplicaciones: Pistones forjados.
4.- Aluminio-Magnesio: La adición del magnesio le otorga
al aluminio de una buena resistencia en general,buena soldabilidad y resistencia a la corrosión.Aplicaciones:Conductos de aceite.
5.- Aluminio-Manganeso: Esta aleación presenta una buena soldabilidad,
y resistencia a la corrosión.
Aplicaciones: Cárter.
Aplicaciones: tornillería, llantas,...
2.- Aluminio-Cobre: Esta aleación aumenta las propiedades mecánicas del material, además de reducir la corrosión.
Aplicaciones: Pistones.
3.- Aluminio-Silicio: La aleación de aluminio y silicio le otorga al material una alta resistencia a la corrosión, y un bajo coeficiente de expansión.
Aplicaciones: Pistones forjados.
4.- Aluminio-Magnesio: La adición del magnesio le otorga al aluminio de una buena resistencia en general,buena soldabilidad y resistencia a la corrosión.Aplicaciones:Conductos de aceite.
5.- Aluminio-Manganeso: Esta aleación presenta una buena soldabilidad, y resistencia a la corrosión.
Aplicaciones: Cárter.
