El aluminio posee las siguientes propiedades fundamentales:
- Densidad: 2,7 g/cm³. Es un metal muy ligero, lo que resulta en buenas propiedades específicas (propiedades por unidad de peso). La mayoría de los aleantes elevan la densidad del aluminio; la bajan el Be, Mg y Li.
- Temperatura de fusión: Posee un bajo punto de fusión (660 ºC), lo que limita su empleo a alta temperatura. Todos los aleantes bajan la temperatura de fusión del aluminio.
- Red cristalina: FCC (cúbica centrada en las caras), lo que le confiere una gran capacidad de deformación plástica.
- Módulo elástico E: 70 GPa. La rigidez no es elevada. En general, los elementos de aleación lo elevan. Efecto especial del Li: sube mucho el módulo elástico.
- Propiedades mecánicas: No son muy altas en estado puro. Para el aluminio con un 99,5% de pureza, el límite elástico (RP) es de 40 MPa y la resistencia a tracción (Rm) es de 80 MPa. Estas propiedades se mejoran por acritud y/o con aleantes.
- Comportamiento a oxidación: Excelente, puesto que se recubre de una capa de óxido protectora (relación de Pilling-Bedworth: 1,3).
- Potencial electroquímico: -1,7 V. Al ser muy electronegativo, tiene una alta tendencia a corroerse.
- Conductividad eléctrica y térmica: Es un muy buen conductor del calor y de la electricidad. Excepto el titanio, los metales ligeros poseen alta conductividad (excelente considerando la densidad). Todos los elementos bajan la conductividad en mayor o menor medida. Casi siempre, el descenso es mayor si dichos elementos están en solución sólida. El Cr, Mn, V, Ti, Zr y Li tienen un efecto especialmente negativo en la conductividad eléctrica.
Condiciones para mantener una alta conductividad:
- Mantener una mínima cantidad de aleantes e impurezas.
- Cr + Mn + Ti + V < 0,03%.
- Adición a veces de B, para precipitar los restos disueltos de esas impurezas.
- Capacidad calorífica: Es elevada.
- Propiedades ópticas: Posee buenas propiedades como reflector de la luz.
Métodos de Endurecimiento del Aluminio
El aluminio puro presenta muy baja dureza y resistencia, por lo que se precisa reforzarlo de cara a su utilización estructural. Las propiedades del aluminio y sus aleaciones pueden modificarse mediante procesos de deformación plástica en frío y/o mediante tratamientos térmicos.
Posibles vías de endurecimiento del aluminio:
- Acritud
- Solución sólida
- Precipitación
En los tratamientos térmicos, se somete a la aleación a un calentamiento y enfriamiento posterior, con una o varias etapas, controlando las temperaturas y tiempos de calentamiento y las velocidades de enfriamiento con el objetivo de alcanzar las propiedades buscadas.
Designaciones de los estados de tratamientos básicos (EN 515)
- F: Bruto de fabricación.
- O: Recocido.
- H: Acritud.
- W: Tratamiento térmico de solución.
- T: Tratamiento térmico de endurecimiento estructural.
El estado O es el de menor resistencia. El aleante se encuentra precipitado, formando precipitados incoherentes, de gran tamaño y muy poco numerosos.
El estado W: el aleante está disuelto en solución sólida (en un porcentaje mayor que el de equilibrio a temperatura ambiente) tras el tratamiento de solución. Este estado se da justo después del enfriamiento rápido.
Endurecimiento por Acritud
El aluminio tiene una gran capacidad de deformación plástica. La deformación plástica en frío (estado H1) mejora significativamente las propiedades mecánicas: gran incremento del límite elástico y la dureza, aumento de la resistencia a tracción, pérdida de plasticidad. Las primeras cantidades de deformación mejoran mucho; las posteriores no tanto.
Recocido contra Acritud
Tras deformación plástica, un recocido produce cambios según temperatura y tiempo. Etapas:
- Restauración
- Recristalización
- Crecimiento de grano
Recocido Parcial
Acritud + recocido parcial (estado H2) da mayor plasticidad con la misma resistencia que H1.
Estabilizado
Las aleaciones Al-Mg en estado H1 pierden propiedades con el tiempo. El estado H3 (≈150ºC, 1h) estabiliza las propiedades.
Designaciones Adicionales (Estados H)
- H1x: Acritud solo.
- H2x: Acritud + recocido parcial.
- H3x: Acritud + estabilizado.
- H4x: Acritud + lacado/pintado.
Endurecimiento por Solución Sólida
No hay posibilidad real significativa de endurecimiento por solución sólida en el aluminio puro. El Ga se disuelve en ≈ 20%, el Mg y Zn en ≈ 1%. La mayoría de los elementos tienen una solubilidad ≤ 0,1%. El Al forma compuestos intermetálicos muy estables.
Algunos elementos se disuelven a altas temperaturas. Un enfriamiento rápido puede retener una solución sólida sobresaturada (estado W), que endurece la aleación.
Endurecimiento por Precipitación
La solución sólida sobresaturada es inestable y precipita el exceso de aleante. El enfriamiento rápido favorece esto al retener vacantes.
Secuencia de Precipitación
Solución sólida sobresaturada → Zonas Guinier-Preston (coherentes) → Precipitados de transición (semicoherentes) → Precipitados estables (incoherentes).
A temperatura ambiente: solo se forman zonas G-P. Para obtener más precipitados: se requiere temperatura. Máxima dureza: se logra con una combinación de zonas G-P y precipitados semicoherentes.
Temperatura de solvus: por encima de esta temperatura, el precipitado ya no se forma.
PFZ (Zonas Libres de Precipitado)
Se forman junto a los bordes de grano:
- Pocas vacantes (absorbidas por el borde)
- Menos soluto (migrado al borde)
Microestructura: zonas sin precipitados (más deformables), precipitados grandes en el borde. Afecta negativamente a la corrosión y la tenacidad.
Tratamientos Térmicos de Aleaciones de Aluminio
Tratamiento Térmico (Bonificado)
Objetivo: obtener una estructura óptima (resistencia, plasticidad, resistencia a la corrosión…). Consta de dos etapas principales: tratamiento de solución y tratamiento de maduración.
Tratamiento de Solución
Disolver y retener los aleantes en la red cristalina, obteniendo el estado W.
Etapas:
- Calentamiento a temperatura adecuada
- Permanencia el tiempo necesario
- Enfriamiento rápido
Temperatura de Solución
Debe ser alta para disolver la mayor cantidad posible de aleantes. Si es baja: se obtienen menos propiedades óptimas. Si es alta: existe riesgo de fusión parcial (quemado).
Tiempo de Permanencia
Debe ser suficiente para disolver y homogeneizar la aleación. Si es poco: menor disolución. Si es mucho: mayor coste y riesgo de crecimiento de grano. Típico: 1 hora.
Enfriamiento
Velocidad crítica: es la velocidad mínima necesaria para evitar la precipitación durante el enfriamiento. Depende de la aleación. Si es baja: se forman precipitados indeseados, resultando en peor resistencia. Si es alta: pueden generarse tensiones residuales. Se enfría típicamente en agua.
Quemado
Fusión parcial del material (bordes). Muy peligroso:
- Favorece la corrosión
- Baja la tenacidad
- Genera grietas (malo para fatiga)
- Baja la resistencia
- Causa tensiones internas
Tratamiento de Maduración
Precipitación controlada del exceso de aleante para optimizar las propiedades mecánicas.
Maduración Natural
Ocurre a temperatura ambiente, resultando en la formación solo de zonas G-P. Las propiedades se estabilizan con el tiempo. Este proceso puede retrasarse bajando la temperatura.