EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES

CIENCIA DE MATERIALES 2015/2016 UNIVERSIDAD DE LA RIOJA

PABLO ÁLVAREZ BENITO MIGUEL ARRÁIZ FERNÁNDEZ

DAVID GALLARTA SÁENZ

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN

2. HISTORIA

3. PROPIEDADES MECÁNICAS

4. ESTRUCTURA

5. PRODUCCIÓN

6. PROCESOS

7. CORROSIÓN

8. APLICACIONES

9. RECICLAJE

10. TOXICIDAD

11. ALEACIONES DEL ALUMINIO

12. RECOCIDO DEL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES

13. MADURACIÓN ARTIFICIAL DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO

14. APLICACIONES DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO

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1. INTRODUCCIÓN

El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Se trata de un metal no ferromagnético y es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8 % de la corteza de la tierra. En estado natural se encuentra en muchos silicatos como feldespatos o micas. Como metal se extrae únicamente de la bauxita, por transformación, primero, en alúmina y a continuación, en aluminio metálico mediante electrólisis.

Este metal posee una combinación de propiedades que lo hacen muy útil en ingeniería, como su baja densidad (2700 kg/m³) y su alta resistencia a la corrosión. Es buen conductor de la electricidad y del calor, se mecaniza con facilidad y es muy barato. Por todo ello es desde mediados del siglo XX el metal que más se utiliza después del acero.

Fue aislado por primera vez en 1825 por el físico danés H. C. Oersted. El principal inconveniente para su obtención se encuentra en la elevada cantidad de energía eléctrica que requiere su producción. Este problema se compensa por su bajo coste de reciclado, su extendida vida útil y la estabilidad de su precio.

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2. HISTORIA

El aluminio se utilizaba en la antigüedad clásica en tintorería y medicina bajo la forma de una sal doble, conocida como alumbre y que se sigue usando hoy en día. En el siglo XIX, con el desarrollo de la física y la química, se identificó el elemento.

La extracción del aluminio a partir de las rocas que lo contenían se reveló como una difícil tarea. A mediados de siglo, podían producirse pequeñas cantidades, reduciendo con sodio un cloruro mixto de aluminio y sodio, gracias a que el sodio era más electropositivo. Durante el siglo XIX, la producción era tan costosa que el aluminio llegó a considerarse un material exótico, de precio desorbitado y tan preciado o más que la plata o el oro.

Diversas circunstancias condujeron a un perfeccionamiento de las técnicas de extracción y un consiguiente aumento de la producción. La primera de todas fue la invención de la dinamo en 1866, que permitía generar la cantidad de electricidad necesaria para realizar el proceso. En el año 1889, Karl Bayer patentó un procedimiento para extraer la alúmina u óxido de aluminio a partir de la bauxita, la roca natural. Poco antes, en 1886, el francés Paul Héroult y el norteamericano Charles Martin Hall habían patentado de forma independiente y con poca diferencia de fechas un proceso de extracción, conocido hoy como proceso Hall-Héroult. Con estas nuevas técnicas se incrementó vertiginosamente la producción de aluminio.

La abundancia conseguida produjo una caída del precio convirtiéndose en metal común. Ya en 1895 abundaba lo suficiente como para ser empleado en la construcción. Hoy en día las líneas generales del proceso de extracción se mantienen, aunque se recicla de manera general desde 1960, por motivos medioambientales pero también económicos, ya que la recuperación del metal a partir de la chatarra cuesta un 5 % de la energía de extracción a partir de la roca.

Trabajadores del aluminio a comienzos del siglo XX

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3. PROPIEDADES MECÁNICAS Las características mecánicas del aluminio dependen del tipo de aleación. A continuación se incluirán varias tablas comparativas de diferentes características.

Cómo varía el límite elástico, que es la tensión para la cual se alcanza una deformación del 0,2% en la pieza ensayada según el ensayo de tracción:

Variación de la resistencia a la tracción:

La resistencia al cizallamiento es un valor a tener en cuenta para calcular la fuerza necesaria para el corte. Es un valor que suele estar entre el 55 y 80 % de la resistencia a la tracción.

Valores del alargamiento de la pieza que se alcanza en el ensayo de tracción justo antes de producirse la rotura de la pieza:

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El módulo de elasticidad longitudinal o módulo de Young (E) relaciona la tensión aplicada a una pieza según una dirección con la deformación originada en esa misma dirección, considerando un comportamiento elástico en la pieza. Para aleaciones de aluminio E = 70.000 MPa.

El módulo de elasticidad transversal, módulo de cortante o módulo de cizalla, G, guarda una relación fija con el módulo de elasticidad longitudinal (E) y el coeficiente de Poisson (ν), según la siguiente expresión: G = E / 2 ∙ (1 + ν). Para el aluminio es de 26.300 MPa.

El coeficiente de Poisson (ν) corresponde a la razón entre la elongación longitudinal y la deformación transversal en el ensayo de tracción. Alternativamente, puede calcularse a partir de los módulos de elasticidad longitudinal y transversal, según la siguiente expresión: ν = (E / 2 ∙ G) - 1. Para el aluminio aleado ν = 0,33.

La dureza es una propiedad que mide el grado de resistencia que ofrecen los materiales a la deformación permanente bajo acción directa de una carga determinada. El método Brinell y el método Rockwell son los más comunes para calibrar la dureza de un material. Método Brinell: consiste en una esfera de acero endurecido de 10 mm de diámetro que se presiona contra la superficie del material objeto de estudio bajo una carga estática de 3.000 kg. En la siguiente figura se muestra cómo varía la dureza Brinell (HB), en kg/mm2, para las distintas aleaciones de aluminio:

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4. ESTRUCTURA

El aluminio tiene número atómico 13 y su valencia es 3. Los 13 protones que forman el núcleo están rodeados de 13 electrones dispuestos en la forma: 1s22s22p63s23p1.

Estructura atómica del aluminio

Existen en la naturaleza dos isótopos de este elemento, el 27Al y el 26Al. El primero de ellos es estable mientras que el segundo es radiactivo. Además de esto existen otros siete isótopos cuyo peso está comprendido entre 23 y 30 unidades de masa atómica.

El Al se produce a partir del argón a causa del bombardeo por la radiación altamente energética de los rayos cósmicos, que inciden en la atmósfera sobre los núcleos de este elemento.

5. PRODUCCIÓN

El aluminio es uno de los elementos más abundantes de la corteza terrestre (8 %) y uno de los metales más caros de obtener. La producción anual se cifra en unos 33,1 millones de toneladas, siendo China y Rusia los productores más destacados, con 8,7 y 3,7 millones respectivamente. Una parte muy importante de la producción mundial es producto del reciclaje. En 2005 suponía aproximadamente un 20 % de la producción total. A continuación se listan unas cifras de producción:

Producción del aluminio en millones de toneladas

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La materia prima a partir de la cual se extrae el aluminio es la bauxita, que recibe su nombre de la localidad francesa de Les Baux, donde fue extraída por primera vez. Actualmente los principales yacimientos se encuentran en el Caribe, Australia, Brasil y África.

6. PROCESOS

► Extrusión

La extrusión es un proceso que consiste en moldear una masa haciéndola salir por una abertura dispuesta para conseguir perfiles de diseño complicado.

Perfil de una pieza de aluminio

El aluminio es uno de los metales que más se utiliza para producir variados y complicados tipos de perfiles que se usan principalmente en las construcciones de carpintería metálica. Para realizar la extrusión, la materia prima, se suministra en lingotes cilíndricos también llamados “tochos”. El proceso de extrusión consiste en aplicar una presión al cilindro de aluminio haciéndolo pasar por un molde (matriz), para conseguir la forma deseada.

► Acabado del extrusionado

A medida que los perfiles extrusionados van saliendo de la prensa a través de la matriz se deslizan sobre una bancada donde se enfrían con aire o agua, en función de su tamaño y forma. A continuación se estiran para obtener perfiles de aluminio rectos y eliminar cualquier tensión en el material. Luego, se cortan en longitudes adecuadas y se envejecen en hornos a unos 200 ºC entre 4 y 8 horas para lograr la resistencia apropiada. Todo este proceso de realiza de forma automatizada.

► Temple de los perfiles

El temple es el proceso térmico que aumenta la resistencia del aluminio. Hay dos procesos de temple: el tratamiento térmico en solución y el envejecimiento.

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► Fundición

La fundición de piezas consiste en llenar un molde con la cantidad de metal fundido requerido por las dimensiones de la pieza a fundir, para, después de la solidificación, obtener la pieza que tiene el tamaño y la forma del molde. Existen tres tipos de procesos de fundición diferenciados aplicados al aluminio:

• Fundición en molde de arena • Fundición en molde metálico • Fundición por presión o inyección.

El proceso de fundición se puede esquematizar de la siguiente manera:

• Diseño del modelo original de la pieza a fundir • Elaboración del tipo de modelo diseñado • Fusión del material a fundir • Inserción de la colada en el molde • Solidificación de la pieza • Limpieza de la superficie con procesos vibratorio o de granallado

► Mecanizado

El mecanizado del aluminio y sus aleaciones en máquinas herramientas de arranque de virutas es fácil y rápido y está dando paso a una nueva concepción del mecanizado denominada genéricamente mecanizado rápido. Durante el arranque de viruta, las fuerzas de corte que tienen lugar son menores que en el caso de las generadas con el acero (la fuerza necesaria para el mecanizado del aluminio es aproximadamente un 30 % de la necesaria para mecanizar acero). Por consiguiente, los esfuerzos sobre los útiles y herramientas así como la energía consumida en el proceso es menor para el arranque de un volumen igual de viruta.

El aluminio tiene además unas excelentes características de conductividad térmica, lo cual es una importante ventaja, dado que permite que el calor generado en el mecanizado se disipe con rapidez. Su baja densidad hace que las fuerzas de inercia en la piezas de aluminio giratorio (torneados) sean asimismo mucho menores que en otros materiales.

El desarrollo del mecanizado rápido permite que muchas piezas complejas no sea necesario fundirlas previamente sino que se mecanicen a partir de unos prismas a los cuales se les realiza todo el vaciado que sea necesario.

El mecanizado rápido puede representar una reducción de costes en torno al 60 %.

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Mecanizado del aluminio

► Herramientas de corte

Para el mecanizado rápido se utilizan herramientas especiales para el mecanizado del aluminio. Se distinguen de las empleadas en el mecanizado del acero en que tienen mayores ángulos de desprendimiento y un mayor espacio para la evacuación de la viruta, así como unos rebajes para que la viruta fluya mejor. Hay tres grandes familias de herramientas de corte para el mecanizado del aluminio:

• Acero rápido (HSS) • Metal duro (carburos metálicos) • Diamante

► Soldadura

Los procedimientos de soldeo en aluminio pueden ser al arco eléctrico, bajo atmósfera inerte (argón o helio), por puntos o por fricción.

Máquina de soldar por puntos

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► Doblado

Cuando se trabaja con aluminio, específicamente en crear algún doblez en una hoja, o en una parte de ésta, es importante considerar la dirección del grano. Esto significa que la composición en el metal, después de haber sido fabricado, ha tomado una tendencia direccional en su microestructura, mostrando así una mayor longitud hacia una dirección que hacia otra. Así es que el aluminio puede quebrarse si la dirección del grano no es considerada al crear algún doblez, o si el doblez es creado con un radio demasiado pequeño.

► Tratamientos superficiales

Existen varios acabados para el aluminio antes de salir al mercado. Los dos más importantes son el anodizado y la pintura.

El anodizado que permite obtener de manera artificial películas de óxido de mucho más espesor y con mejores características de protección que las capas naturales. El proceso de anodizado llevado a cabo en un medio sulfúrico produce la oxidación del material desde la superficie hacia el interior, aumentando la capa de óxido de aluminio, con propiedades excelentes por resistencia a los agentes químicos, dureza, baja conductividad eléctrica y estructura molecular porosa, esta última junto con las anteriores, que permite darle una excelente terminación, que es un valor determinante a la hora de elegir un medio de protección para este elemento.

El proceso de pintura de protección que se da al aluminio es conocido con el nombre de lacado y consiste en la aplicación de un revestimiento orgánico o pintura sobre la superficie del aluminio.

El lacado, que se aplica a los perfiles de aluminio, consiste en la aplicación electrostática de una pintura en polvo a la superficie del aluminio. Las pinturas más utilizadas son las de tipo poliéster por sus características de la alta resistencia que ofrecen a la luz y a la corrosión.

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7. CORROSIÓN

El aluminio metálico se recubre de una delgada capa de óxido que evita su corrosión. No obstante, las aleaciones de aluminio se comportan bastante peor a la corrosión que el aluminio puro, especialmente si llevan tratamientos de recocido.

8. APLICACIONES

Su utilización industrial ha hecho del aluminio uno de los metales más importantes, tanto en cantidad como en variedad de usos, siendo un material polivalente que se aplica en ámbitos económicos muy diversos.

En estado puro se aprovechan sus propiedades ópticas para fabricar espejos domésticos e industriales. Su uso más popular es como papel de aluminio, que consiste en láminas de material con un espesor tan pequeño que resulta fácilmente maleable y apto para embalar alimentos. También se usa en la fabricación de latas y tetrabriks.

Por sus propiedades eléctricas es un buen conductor, capaz de competir en coste y prestaciones con el cobre. Dado que, a igual longitud y masa, el conductor de aluminio tiene poca menos conductividad, resulta un componente útil en situaciones donde el exceso de peso es importante. Es el caso de la aeronáutica y de los tendidos eléctricos donde el menor peso implica menor gasto de combustible, mayor autonomía y la posibilidad de separar las torres de alta tensión.

El uso del aluminio también se realiza a través de compuestos en los que aparece. La misma alúmina, el óxido de aluminio que se obtiene de la bauxita, se usa tanto en forma cristalina como amorfa. En el primer caso forma el corindón, una gema utilizada en joyería que puede adquirir coloración roja o azul, llamándose entonces rubí o zafiro, respectivamente. Además, la dureza del corindón permite su uso como abrasivo para pulir metales. Otros compuestos del aluminio se utilizan en la fabricación de explosivos.

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9. RECICLAJE

El aluminio es 100 % reciclable sin pérdida de sus cualidades físicas y su recuperación por medio del reciclaje se ha convertido en una faceta importante de la industria del aluminio. El proceso de refundido requiere solo un 5 % de la energía necesaria para producir el metal primario inicial.

Al aluminio reciclado se le conoce como aluminio secundario, pero mantiene las mismas propiedades que el aluminio primario.

Durante el año 2002 se produjeron en España 243.000 toneladas de aluminio reciclado y en el conjunto de Europa occidental esta cifra ascendió a 3,6 millones de toneladas.

Para proceder al reciclaje del aluminio primero hay que realizar una revisión y selección de la chatarra según su análisis y metal recuperable para poder conseguir la aleación deseada. La chatarra preferiblemente se compactará, generalmente en cubos o briquetas o se fragmentará, lo cual facilita su almacenamiento y transporte.

El residuo de aluminio es fácil de manejar porque es ligero, no arde, no se oxida y es fácil de transportar. El aluminio reciclado es un material cotizado y rentable. El reciclaje de aluminio produce beneficios ya que proporciona ocupación y una fuente de ingresos para mano de obra no cualificada.

10. TOXICIDAD

Este metal fue considerado durante muchos años como inocuo para los seres humanos, por lo que se fabricaron de forma masiva utensilios de aluminio para cocinar alimentos, envases para alimentos y papel de aluminio para el embalaje de alimentos frescos. Sin embargo, su impacto sobre los sistemas biológicos ha sido objeto de mucha controversia en las décadas pasadas y se ha demostrado que puede producir efectos adversos en plantas, animales acuáticos y seres humanos.

La exposición al aluminio por lo general no es dañina, pero la exposición a altos niveles puede causar serios problemas para la salud.

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11. ALEACIONES DEL ALUMINIO

Los principales metales empleados para su aleación con aluminio son los siguientes: cobre (Cu), silicio (Si), cinc (Zn), magnesio (Mg), y manganeso (Mn). Los considerados como secundarios: níquel (Ni), titanio (Ti), hierro (Fe), cromo (Cr) y cobalto (Co). En casos especiales se adicionan: plomo (Pb), cadmio (Cd), antimonio (Sb) y bismuto (Bi).

a) Aleaciones de forja

▪ Aleaciones de aluminio puro

También conocido como ALPUR (aluminio puro). Presenta una elevada resistencia a los agentes atmosféricos, una gran conductividad térmica y eléctrica y una excelente actitud a las deformaciones. Sus características mecánicas son relativamente bajas. Su utilización está muy extendida: industria eléctrica, química, petroquímica, edificación, decoración, menaje…

▪ Aleaciones de aluminio - cobre.

La solubilidad del cobre en el aluminio varía del 0,45 % a 300 ºC, hasta 5,7 % a 547 ºC, lo que se utiliza para el temple de precipitación.

El cobre endurece mucho el aluminio, por lo que estas aleaciones poseen propiedades mecánicas excepcionales, manteniendo la buena maquinabilidad y ligereza que posee el aluminio.

En general, estas aleaciones, se caracterizan por una buena resistencia al calor y una menor resistencia a los agentes atmosféricos. Estas aleaciones no pueden ser soldadas más que por técnicas particulares como por ejemplo la soldadura por haz de electrones. Comúnmente son denominadas COBRAL.

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▪ Aleaciones de aluminio - silicio

Estas aleaciones siguen en importancia a las del aluminio - cobre. El porcentaje de silicio suele variar del 5 al 20 %.

El silicio endurece al aluminio y aumenta su fluidez en la colada y su resistencia a la corrosión. Las aleaciones Al - Si son muy dúctiles y resistentes al choque, tienen un bajo coeficiente de dilatación y una elevada conductividad calorífica y eléctrica.

La principal aplicación de estas aleaciones son la fundición de piezas difíciles y la fabricación de piezas para la marina, por su resistencia a la corrosión. Sin embargo, se emplean para piezas ornamentales porque ennegrecen con el tiempo.

▪ Aleaciones de aluminio - cinc

En estas aleaciones figura el cinc con un porcentaje máximo del 20 %. En la figura posterior queda representado el diagrama Al - Zn, en el que están presentes la solución sólida de cinc en aluminio, la solución sólida de aluminio en cinc, que algunos autores identifican con cinc elemental, y la solución sólida intermedia.

Como no se forman compuestos químicos no puede aplicarse a estas aleaciones el temple de precipitación. Las aleaciones de cinc son más baratas que las de cobre a igualdad de propiedades mecánicas, pero menos resistentes a la corrosión y más pesadas. Comúnmente son denominadas ZINCAL.

▪ Aleaciones de aluminio - magnesio

Estas aleaciones contienen magnesio en proporciones inferiores al 10 %. En general, el magnesio va asociado a otros elementos como el cobre, silicio o cinc, es decir, formando aleaciones ternarias, en las que el magnesio figura con proporciones del 0,1 al 1 %.

La solubilidad sólida del magnesio en aluminio varía del 4,4 % a 250 ºC hasta 14,9 % a 450 ºC. Por esto, las aleaciones Al - Mg admiten el temple de precipitación.

Las aleaciones Al - Mg son más ligeras que el propio aluminio, pues su peso específico es alrededor de 2,6. Poseen buenas propiedades mecánicas, se mecanizan con facilidad y tienen una buena resistencia a la corrosión.

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▪ Aleaciones de aluminio - manganeso

El manganeso se encuentra en la mayor parte de las aleaciones de aluminio ternarias y cuaternarias. Su solubilidad en el aluminio pasa del 0,35 % a 500 ºC a la temperatura eutéctica, que es 658,5 ºC.

El manganeso aumenta la dureza, la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión de las aleaciones de aluminio.

▪ Otros elementos de adición con el aluminio

Además de los elementos citados, que son los principales, de aleación con el aluminio, se encuentran formando parte de las aleaciones ternarias y cuaternarias el hierro, el níquel, el titanio, el cromo y el cobalto.

Todos estos elementos se encuentran en las aleaciones generalmente en forma de aluminuros, que son insolubles o casi insolubles en la matriz de la aleación.

El hierro, aunque sea en pequeñas proporciones, forma parte siempre como impureza.

El titanio se adiciona para refinar el grano en las aleaciones con la mejora consiguiente de las propiedades mecánicas.

El cobalto endurece las aleaciones.

Y el níquel y cromo, además de endurecerlas, mejora su resistencia a la corrosión.

Ninguno de los elementos citados forma parte de las aleaciones en proporciones superiores al 1 %.

b) Aleaciones de aluminio normalizadas

El Instituto Nacional de Racionalización del Trabajo ha normalizado las aleaciones de aluminio, cuyas composiciones y características son las aceptadas generalmente por los fabricantes españoles de aluminio. En estas normas se clasifican las aleaciones en aleaciones ligeras de aluminio para moldeo, que contienen elementos como el silicio que facilita su fusibilidad, y aleaciones ligeras de aluminio para forja, que contienen menores porcentajes de aleación que las de moldeo. Entre las aleaciones normalizadas figuran algunas muy conocidas por su nombre comercial, como la L-311, comercialmente denominada duro - aluminio, de 95 % de Al, 4 % de Cu, 0,5 % de Mg y 0,5 % de Mn. Precisamente fue este endurecimiento natural del duro - aluminio después de haberlo moldeado, el que condujo al descubrimiento del temple de precipitación y maduración natural y artificial.

También figuran entre otras aleaciones normalizadas el anticorodal (L-257), el siluminio o alpax (L-252) o la aleación "Y" (L-315).

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12. RECOCIDO DEL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES

Los recocidos son operaciones de calentamiento y enfriamiento lento para conseguir una constitución y estructura más estable a temperatura ambiente y destruir cualquier anomalía en que se encuentre el material producida por tratamientos mecánicos o térmicos. La intensidad de los recocidos depende de la temperatura máxima a que se llega en el calentamiento. Se distinguen los siguientes recocidos:

- Recocido de estabilización: Tiene por objeto eliminar tensiones residuales que pueden producirse en el mecanizado o en la conformación en frío o en caliente. Se realiza calentando el material a temperaturas inferiores a la de recristalización durante unas 4 horas para que no se modifique su estructura micrográfica.

- Recocido contra acritud: Su objetivo es eliminar la acritud adquirida por el material al deformarse en frío o a temperaturas inferiores a la recristalización. Con este tratamiento los granos deformados recobran su forma poliédrica y, si la deformación ha sido muy intensa, se rompen los granos y se produce una nueva estructura granular más fina. A este fenómeno se le conoce con el nombre de germinación. Las temperaturas de recocido contra acritud dependen de la aleación, oscilando en general entre 300ºC y 400ºC. El tiempo de recocido oscilará entre 2 y 8 horas.

- Recocido de homogeneización y regeneración: Tiene por objeto uniformar la composición química y el grano de las aleaciones de aluminio que son propensas a heterogeneidad química y estructural. Se realiza entre 450 ºC y 550 ºC durante un tiempo comprendido entre 15 y 60 minutos.

Proceso de recocido del aluminio

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13. MADURACIÓN ARTIFICIAL DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO

Si la viscosidad atómica es elevada, no se produce la precipitación del compuesto o se produce muy lentamente a la temperatura ambiente. Entonces, se puede acelerar la precipitación con un tratamiento que se conoce con el nombre de maduración artificial o también revenido de endurecimiento, que consiste en calentar la aleación a una temperatura inferior a la del temple, con objeto de dilatar las redes cristalinas y facilitar la difusión y precipitación del compuesto químico y abreviar. Este tratamiento tiene efectos contrarios al revenido de los aceros con temple martensítico, que disminuye la dureza y resistencia de los metales templados, en lugar de aumentarla como ocurre con la maduración artificial.

14. APLICACIONES DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO

Las aleaciones de aluminio tienen cada día una mayor aplicación, utilizándose extensamente para la fabricación de piezas que deben ser resistentes y al mismo tiempo ligeras para las construcciones aeronáuticas, vagones de ferrocarriles de trenes articulados modernos... También se emplean para la fabricación de culatas y émbolos de motores de explosión. En las construcciones navales se emplean por su resistencia a la corrosión marina.

Hélice de un avión fabricada con aleación de aluminio

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