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El Magnesio (Mg) y sus aleaciones

Trabajo prctico de Materiales Metlicos ETSEIB-UPC

Barcelona, mayo de 2008

ALUMNOS: BRANDSTTT, Michaela LOPEZ CARRANZA, Santiago Nicols ROSSI, Paulo

Resumen: En el presente trabajo se describen las propiedades de las principales aleaciones de Mg. Se comienza comentando generalidades sobre el Mg indicando porque este metal ligero es tan til en aplicaciones donde se requieren resistencia mecnica y poco peso. Se describen como es el proceso de obtencin, tratamientos trmicos, propiedades mecnicas, principales aleantes con su nomenclatura, sin dejar de lado las aplicaciones de las mismas que tambin son comentadas. Se analizan las principales aleaciones del magnesio utilizadas en aeronutica y automovilismo. Por ltimo se describe el mecanismo de endurecimiento por precipitacin en aleaciones de magnesio termo-envejecibles.

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Sumario

Generalidades sobre el magnesio. ............................................................................................ 3

Obtencin de magnesio .............................................................................................................. 5

Propiedades mecnicas del magnesio ..................................................................................... 6

Especificaciones en Aleaciones de magnesio. ........................................................................ 7

Aplicaciones. ............................................................................................................................... 9

Aleacin ZE41A-T5 (RZ5) ......................................................................................... 10 Aleacin WE-43A-T6. ................................................................................................ 12

Aleaciones AM60B y AM50A. ................................................................................... 15

Endurecimiento por Precipitacin en las Aleaciones Binarias de Magnesio. ...................... 16

Mg-Al, Diagrama de fases ......................................................................................... 16

Mg-Al, Curvas de endurecimiento............................................................................. 17

Mg-Y, Diagrama de fases .......................................................................................... 17

Mg-Y, Curvas de endurecimiento ............................................................................. 18

Mg-Zn, Diagrama de fases ........................................................................................ 18

Mg-Zn, Curvas de endurecimiento ........................................................................... 19

Conclusiones: ............................................................................................................................ 20

Bibliografa ................................................................................................................................. 20

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Generalidades sobre el magnesio.

El magnesio es un elemento metlico situado en el octavo lugar en abundancia en la corteza terrestre (2,33% en peso). Sus principales minerales son dolomita (el carbonato doble de magnesio y calcio), magnesita (MgCO3) y carnalita. El magnesio metlico se produce a partir de sus minerales por reduccin trmica del monxido de carbono, ferrosilicio u otros reductores o bien, mediante electrlisis del cloruro de magnesio en mezclas de sales fundidas. Como polvo, es extremadamente reactivo pero como slido se oxida lentamente al aire y reacciona lentamente en el agua. El magnesio es un reductor poderoso y se emplea en la obtencin de muchos metales a partir de sus sales: uranio y otros (titanio, etc.). Entre sus mltiples aplicaciones est su uso como desoxidante para el cobre, el latn y aleaciones de nquel. Tambin se aade a varias aleaciones de aluminio. Es la base de aleaciones duras y ligeras utilizadas en la industria automvil y aeronutica (motores). Se han investigado aleaciones con zirconio y torio para la construccin de aviones. Su extremadamente baja densidad (1,74 g/cm), incluso menor al aluminio (2,70 g/cm), le otorga importantes ventajas en el campo de las Aleaciones Ligeras donde generalmente se encuentra aleado con aluminio, manganeso, cobre, litio, cinc, circonio y elementos lantnidos. Estas aleaciones poseen adems, adecuadas caractersticas de mecanizacin, fabricacin, emplendose en diversas piezas con aplicaciones aeronuticas y automotrices. Algunos ejemplos de piezas en vehculos livianos son vlvulas y engranajes de distribucin, bridas, bastidores de cajas de transmisin y embragues, radiadores, accesos de lmparas, carcasas de motores de limpiaparabrisas y varias partes de reguladores interiores; en Aeronutica, las aleaciones base magnesio son ampliamente empleadas en cajas de cambios al igual que en vehculos de carrera.

Figura 1. Caja de cambios para un helicptero hecha de una aleacin de magnesio, tratada superficialmente como proteccin contra la corrosin.( http://www.airforce-technology.com)

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Figura 2. (a) Caja de cambios (gearbox) y (b) mltiple (manifold) hechos mediante fundicin, de una aleacin de magnesio (http://www.uk-racing-castings.co.uk)

En la Tabla 1 se compara la razn entre el lmite de fluencia y la densidad de algunas aleaciones para mostrar las ventajas del empleo de aleaciones de magnesio en aplicaciones donde la densidad es un factor relevante.

Aleacin Densidad

gr/cm3

Lmite elstico, (MPa) Razn

Aleacin de Mg AZ80X extruda HTA 1,8 276 153

Aleacin base Al 7075 T6 2,8 497 178

Aleacin base Ti endurecida 4,5 759 169

Acero inoxidable 302, 30% trabajado en fro 7,9 966 122

Acero de alta resistencia y baja aleacin 7,9 379 48

Tabla 1. Razn entre mdulo de fluencia y densidad de algunas

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En general las propiedades mecnicas de estas aleaciones son inferiores a las de aluminio, sin embargo, al considerar su densidad se tornan altamente atractivas. Uno de los principales problemas con las aleaciones base magnesio es su baja ductilidad, originada en la estructura cristalina del Mg, hexagonal compacta, la que dificulta el conformado a temperatura ambiente y por ende, el conformado de estas aleaciones suele realizarse en caliente. Su alta reactividad en estado lquido es tambin un problema para la fabricacin de estas aleaciones va fusin.

Obtencin de magnesio El magnesio es uno de los elementos qumicos ms abundantes en la naturaleza y se lo encuentra en forma de minerales. El magnesio metlico se obtiene por dos mtodos diferentes. Uno de ellos consiste en reducir el mineral en hornos elctricos con carburo de calcio u otros reductores. En el otro mtodo, el magnesio metlico se obtiene en dos fases: cloruracin del mineral (magnesia, doloma o giobertita) y electrlisis a 700C del cloruro fundido. El metal se acumula en la superficie del bao y el cloro desprendido se recoge y se aprovecha en la fase de cloruracin.

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Propiedades mecnicas del magnesio El magnesio puro tiene poca resistencia mecnica y plasticidad, su poca plasticidad es debida a que su red es hexagonal y posee pocos planos de deslizamiento. Las bajas propiedades mecnicas excluye la posibilidad de utilizarlo en estado puro como material estructural, pero aleado y tratado trmicamente puede mejorar sus propiedades mecnicas. Como el ms liviano metal estructural disponible, la combinacin de baja densidad y buena resistencia mecnica de las aleaciones de magnesio resulta en una alta relacin resistencia-peso. Sobre esta base, es comparable con la mayora de los materiales estructurales comunes. Entre los aleantes mas comunes el aluminio y el zinc se introducen para elevar la resistencia mecnica, el manganeso para elevar la resistencia a la corrosin y afinar el tamao de grano, para esto ltimo se pueden utilizar el circonio y los metales de las tierras raras, el berilio se utiliza para disminuir la tendencia a la inflamacin durante la colada. Debido a su bajo mdulo de elasticidad, las aleaciones de magnesio pueden absorber energa elsticamente. Combinado con tensiones moderadas, esto provee excelente resistencia al rayado y alta capacidad de amortiguamiento. El magnesio aleado posee buena resistencia a la fatiga y se comporta particularmente bien en aplicaciones que involucran un gran nmero de ciclos de tensiones relativamente bajas. Sin embargo, el metal es sensible a la concentracin de tensiones, por lo que deberan evitarse muescas, aristas agudas y cambios abruptos de seccin. Las partes de magnesio son generalmente utilizadas a temperaturas que varan desde la ambiente hasta los 175C . Algunas aleaciones pu eden ser usadas en ambientes de servicio de hasta 370C por breves exposiciones. A temperaturas elevadas se oxida intensamente e incluso se inflama espontneamente. Las piezas fundidas tienen una resistencia compresiva prcticamente igual a la tensin de fluencia a la traccin, mientras que en las aleaciones para forja la resistencia a la compresin es considerablemente menor que la fluencia de traccin. Las aleaciones para forja poseen un mayor alargamiento a la rotura, una mayor tensin de rotura y una mayor resistencia a la fatiga. A pesar de una amplia variacin de la dureza con los distintos aleantes, la resistencia a la abrasin vara slo en un 15 a 20%. Para proteger lugares o zonas de la pieza expuestas a gran roce, se suelen colocar insertos de acero, bronce, o materiales no metlicos. Pueden utilizarse para bujes de poca carga, bajas velocidades, bajas temperaturas y buena lubricacin. En la curva de fatiga se observa que esta se torna paralela al eje entre los 10 y 100 millones de ciclos. El trabajado en fro de las zonas superficiales proclives a fallar por fatiga genera tensiones de compresin residuales que ayudan a mejorar la resistencia a la fatiga. En estas aleaciones al disminuir la temperatura aumenta la tensin de rotura, tensin de fluencia, y dureza, al tiempo que disminuye la ductilidad. El aumento de la temperatura tiene un efecto adverso sobre la tensin de rotura y de fluencia, mientras que con la aleacin magnesio-aluminio-zinc disminuye el mdulo elstico, efecto que se atena en aleaciones con torio.

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Especificaciones en Aleaciones de magnesio. Las aleaciones base magnesio son designadas generalmente por dos letras maysculas que representan los dos aleantes principales, la primera indica el de concentracin ms alta. En la Tabla 2 se sealan las letras y los elementos ms empleados en estas aleaciones. Dos nmeros siguen a estas letras, cada uno representa el contenido porcentual de los elementos sealados, por ejemplo, la aleacin ZH31 tiene como aleante principal cinc (letra Z), el primer nmero indica que este elemento est en un 3%, adems la aleacin contiene torio (letra H) en un 1%. Adems de las primeras dos letras y dos dgitos, si despus se incluye una letra, esta expresa que la composicin ha sido modificada, la misma letra indica el elemento que ha sido alterado. Frecuentemente los elementos Al y Zn estn presentes en las aleaciones base magnesio para forja y tambin en las de colada. Torio y circonio se emplean en aleaciones base magnesio para uso a mayores temperaturas. Las designaciones para el grado de endurecimiento en estas aleaciones son las mismas empleadas en las Aleaciones de Aluminio y se agregan despus de las especificaciones de composicin.

Elemento Letra asignada Elemento

Letra Asignada

A Aluminio M manganeso

B Bismuto N nquel C Cobre Q plata D Cadmio P plomo

E tierras raras

R cromo

F Hierro S silicio G Magnesio T estao H Torio V arsnico J Fsforo W Itrio K Circonio Y antimonio L Berilio Z cinc

Tabla 2. Simbologa empleada para Aleantes en Aleaciones Base Mg (ASTM).

Designacin Tipo de Tratamiento

F Como se fabric (colada o forja) O Recocido, recristalizado (slo forjados)

H Endurecido por deformacin (slo forjados)

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H2 Endurecido por deformacin parcialmente recocido

H3 Endurecido por deformacin y estabilizado

W Tratamiento trmico de solucin

T Tratamiento trmico para estabilizar F,O o H

T3 Tratamiento trmico de solucin y trabajo en fro

T4 Tratamiento trmico de solucin

T5 Slo artificialmente envejecido

T6 Tratamiento trmico de

solucin y envejecimiento artificial

T8 Tratamiento trmico de

solucin, trabajado en fro y envejecido artificialmente

T9 Tratamiento trmico de

solucin, envejecido artificialmente y trabajado en

fro

T10 Envejecido artificialmente y trabajado en fro Tabla 3. Designaciones de algunos de los Tratamientos Trmicos empleados en

aleaciones base Mg.

Frecuentemente, las aleaciones de Magnesio son clasificadas en Aleaciones de Colada o para Forja, en la Tabla 3 se presentan algunos de los tratamientos trmicos ms comunes junto a algunas aleaciones de estos dos grandes grupos.

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Aplicaciones. La principal caracterstica de estas aleaciones es que proporcionan una adecuada resistencia mecnica para aplicaciones donde el peso de la pieza es un factor fundamental. Una de las ms empleadas en la fabricacin de caja de cambios de helicpteros, componentes de aeronaves y equipo militar en general, es la aleacin ZE41A-T5, comercialmente conocida como "ZR5". Ntese que la composicin de esta aleacin involucra cinc (letra Z) y tierras raras (letra E), las siglas ZR5 no estn relacionadas con la composicin de esta aleacin. Esta aleacin es adems, ampliamente usada en la industria automotriz, especialmente en vehculos de alta velocidad. Con similares caractersticas se encuentra la aleacin EZ33A-T5 o tambin llamada ZRE1, empleada en componentes donde la resistencia al creep es requerida, con un menor contenido de cinc y un mayor contenido de tierras raras, con respecto a ZR5, ZR1 es mucho menos verstil y de aplicaciones ms especficas. Otra aleacin interesante es la WE43AT6, comercialmente conocida slo como WE43, adems de circonio y tierras raras, contiene Ytrio (3,7-4,3%) y su principal caracterstica es la de retener en forma excelente, sus propiedades a elevadas temperaturas. Por esta razn y debido a que sus propiedades mecnicas son superiores a la RZ5, esta aleacin ha sido seleccionada para helicpteros como Eurocopter EC120, Sikorsky S92 y MD500, entre otros.

Aleaciones de Colada

Tratamiento Trmico

Aleaciones para Forja

Tratamiento Trmico

AM100A T4, T5, T6 AZ80A T5 AZ63A T4, T5, T6 HM21A T5, T8 EQ21A T6 HM31A T5 HK31A T6 ZC71A F, T5, T6 HZ32A T5 ZK60A T5

QE22A T6 QH21A T6 WE43A T6 ZC63A T6 ZE41A T5 ZH62A T5 ZK61A T4, T6

Tabla 4. Aleaciones de Mg para colada y Forja y Principales Tratamientos Trmicos.

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Aleacin ZE41A-T5 (RZ5) Las propiedades ptimas para esta aleacin, cuya composicin nominal se muestra en la Tabla 5, se obtienen en la condicin T5, despus de 2 horas a 330C seguidas por 10 a 16 horas a 170-180C. Propiedades satisfactorias se obtienen calentando entre 1 y 6 horas a temperaturas del orden de 325 a 360C. En ambos casos no se requiere de enfriamiento en agua. Las propiedades mecnicas tpicas se muestran en la tabla 5 y en la figura 3.

Elemento Contenido Porcentual Propiedad Valor

Zn 3,5-5,0 Densidad 1.84 gr/cm3

Tierras Raras 0,8-1,7 Mdulo de elasticidad 44 GPa

Zr 0,4-1,0 Razn de Poisson 0.35 Mg balance Dureza Brinell 55-70

Tabla 5. Composicin Qumica RZ5 (o ZE41A-T5) y algunas de sus Propiedades Fsicas.

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Figura 3.Diversas propiedades de aleacin RZ5 (o ZE41A-T5). (a) Propiedades en Traccin en funcin de la temperatura (b) Efecto de la temperatura en la resistencia, creep (b.1) 100C y (b.2)

150C.

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Figura 4. Aplicaciones de la aleacin "RZ5".

Aleacin WE-43A-T6. Es una aleacin de alta resistencia dentro de las de magnesio, de excelente resistencia a la corrosin y que adems puede ser empleada a elevadas temperaturas, pudiendo estar expuesta por largos periodos de tiempo a temperaturas del orden de 250C.

Elemento Contenido Porcentual Propiedad Valor

Y 3,7-4,3 Densidad 1,84 gr/cm3

Tierras Raras 2,4-4-4 Mdulo de elasticidad 44 x 10

3 MPa

Zr 0,4 min Razn de Poisson 0.27 Mg balance Dureza Vickers 85-105

Tabla 6: Composicin Qumica WE43A- T6 y algunas de sus Propiedades Fsicas

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Figura 5. Aplicaciones de aleacin WE43A-T6.

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Figura 6. Diversas propiedades de aleacin WE43A-T6. (a) Propiedades en Traccin en funcin de la temperatura (b) Efecto de la temperatura en la resistencia, creep (b.1) 200C y (b.2) 250C.

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Aleaciones AM60B y AM50A. Son aleaciones ampliamente empleadas en la industria automovilstica, electrnica y de telecomunicaciones, al igual que la AZ91D, sus composiciones se muestran en la Tabla 7. En la actualidad, vehculos como Audi A2, A4 y A6 contienen aproximadamente 14 kg de estas aleaciones de magnesio que ha reemplazado a las de aluminio. En frmula 1, una de las aleaciones de magnesio de mayor xito ha sido la anteriormente mencionada "RZ5" empleada para la fabricacin de cajas de cambio. La WE54 tambin ha tenido gran xito en este campo.

Aleante AZ91D AM50A AM60B Aluminio % 8,5 - 9,5 4,5 - 5,3 5,6 - 6,4

Manganeso % 0,17 - 0,3 0,28 - 0,50 0,26 - 0,50 Zinc % 0,45 - 0,9 0,20 mximo 0,20 mximo

Silicio % 0,05 mximo 0,05 mximo 0,05 mximo Cobre % 0,025 mximo 0,008 mximo 0,008 mximo Nquel % 0,001 mximo 0,001 mximo 0,001 mximo Hierro % 0,004 mximo 0,004 mximo 0,004 mximo Berilio % 0,0005 - 0,0015 0,0005 - 0,0015 0,0005 - 0,0015 Otros % 0,01 mximo 0,01 mximo 0,01 mximo

Propiedades Fsicas Densidad

gr/mc3

1,81 1,79 1,78

Conductividad trmica (W/mK) 72 62 62

Mdulo de Young Gpa 45 45 45

Rango de Fusin (C) 470-595 543-620 540-615 Tabla 7. Composicin qumica y Propiedades fsicas de las aleaciones AM50A, AM60B y AZ91D.

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Endurecimiento por Precipitacin en las Aleaciones Binarias de Magnesio. Para las aleaciones de magnesio, el principal proceso empleado para mejorar sus propiedades mecnicas es el de endurecimiento por precipitacin. Tres de los sistemas binarios ms interesantes en los que se cumplen las condiciones requeridas para este proceso son: Mg-Al, Mg-Zn y Mg-Y. Los diagramas de fase se pueden ver en las figuras 7, 8 y 9, junto con durezas que se pueden obtener en funcin del tiempo de envejecimiento. Las condiciones que renen estos sistemas, al igual que todos aquellos donde es posible endurecer por precipitacin, son las siguientes:

- La solubilidad en estado slido, aumenta con la temperatura.

- La velocidad de enfriamiento es lo suficientemente rpida como para evitar la transformacin de fases que conduce a las fases de equilibrio.

- El precipitado es altamente coherente con la matriz, de tamao pequeo y se encuentra homogneamente distribuido en la matriz.

A continuacin de presentan los diagramas de fase y grficos de endurecimiento en funcin de la temperatura de distintas parejas, Mg-Al, Mg-Y y Mg-Zn

Mg-Al, Diagrama de fases

Figura 7. Aleacin Mg- 9,6%Al.

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Mg-Al, Curvas de endurecimiento

Mg-Y, Diagrama de fases

Figura 8. Aleacin Mg- 8,7%Y.

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Mg-Y, Curvas de endurecimiento

Mg-Zn, Diagrama de fases

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Mg-Zn, Curvas de endurecimiento

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Conclusiones: Las aleaciones de Mg son muy tiles cuando se necesita un bajo peso y una

alta resistencia mecnica. Es un metal muy abundante en la corteza terrestre, pero no siempre es sencilla

su extraccin. Dentro de las propiedades, como buenas, se destacan la buena resistencia a

fatiga, y sobre todo baja densidad (alta resistencia-peso), como malas, la baja resistencia a altas temperaturas y alta reactividad en estado lquido o polvo.

Se debe tener en cuenta, a la hora de disear con aleaciones de Mg, que las secciones resistentes sern mayores para iguales fuerzas aplicadas, ya que tiene resistencia y tensiones de fluencia bajas.

El Mg como metal puro tiene propiedades mecnicas pobres y es poco deformable, en la prctica se utiliza aleado y con tratamientos trmicos.

Hemos visto que bsicamente el Mg se obtiene de la reduccin de minerales de Mg, tpicamente en hornos o mediante electrlisis.

Las utilizaciones estn dirigidas a aplicaciones donde se requiere poco peso y alta resistencia en rango de temperaturas ambientes o moderadas; como helicpteros.

Bibliografa Apuntes de Dr. Ing. Alberto Monsalve G. Ctedra de TECNOLOGA DE MATERIALES AERONUTICOS. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE. DEPARTAMENTO DE INGENIERIA METALURGICA.

Internet: http://www.textoscientificos.com/quimica/magnesio http://es.wikipedia.org/wiki/Magnesio