Cómo y por qué se añaden elementos de aleación al aluminio

Conozca sus aleaciones: claves para el éxito en las soldaduras de aluminio

El aluminio puro no se suele utilizar para aplicaciones estructurales. Para producir aluminio que tenga la resistencia adecuada para la fabricación de componentes estructurales, es necesario agregar otros elementos al aluminio. ¿Qué elementos se pueden agregar a esas aleaciones de aluminio? ¿La adición de estos elementos tiene algún efecto sobre el rendimiento del material? ¿En qué aplicaciones se utilizan esas aleaciones?

Por qué el aluminio puro no es adecuado para las aplicaciones estructurales

No es habitual que se elija aluminio puro (serie 1xxx de aleaciones) para la fabricación estructural debido a sus características de resistencia. Aunque la serie 1xxx es de aluminio casi puro, responde al endurecimiento por deformación y especialmente si contiene cantidades apreciables de impurezas como hierro y silicio. Sin embargo, incluso en el estado de endurecimiento por deformación, las aleaciones de la serie 1xxx tienen una resistencia muy baja en comparación con las otras series de aleaciones de aluminio. Cuando las aleaciones de la serie 1xxx se eligen para una aplicación estructural, generalmente es por su alta resistencia a la corrosión y su elevada conductividad eléctrica. Las aplicaciones más comunes para las aleaciones de la serie 1xxx son el papel de aluminio, las barras colectoras eléctricas, el alambre metalizante, los tanques para químicos y los sistemas de tuberías.

Cómo y por qué se añaden elementos de aleación al aluminio

La adición de elementos de aleación al aluminio es el principal método utilizado para producir una selección de diversos materiales que se pueden utilizar en una amplia variedad de aplicaciones estructurales.

Si consideramos las siete series de aleaciones de aluminio designadas que se utilizan para aleaciones forjadas, podemos identificar inmediatamente los principales elementos de aleación utilizados para producir cada una de las series de aleaciones. Entonces podemos seguir avanzando y examinar los efectos de cada uno de esos elementos en el aluminio. También hemos añadido otros elementos de uso común y sus efectos sobre el aluminio.

Los principales efectos de los elementos de aleación en el aluminio son los siguientes:

Cobre (Cu) 2xxx: las aleaciones de aluminio-cobre suelen contener de un 2 a un 10 % de cobre, con adiciones menores de otros elementos. El cobre proporciona un aumento sustancial de la resistencia y facilita el endurecimiento por precipitación. La introducción del cobre en el aluminio también puede reducir la ductilidad y la resistencia a la corrosión. Incrementa la susceptibilidad al agrietamiento por solidificación de las aleaciones de aluminio-cobre. Por lo tanto, algunas de estas aleaciones pueden ser las aleaciones de aluminio más difíciles de soldar. Estas aleaciones incluyen algunas de las aleaciones de aluminio tratables térmicamente con mayor resistencia. Las aplicaciones más comunes para las aleaciones de la serie 2xxx son: el sector aeronáutico, los vehículos militares y las aletas de cohetes.

Manganeso (Mn) 3xxx: la adición de manganeso al aluminio aumenta en cierta medida la resistencia a través del fortalecimiento de la solución. También mejora el endurecimiento por deformación sin reducir de manera apreciable la ductilidad o la resistencia a la corrosión. Son materiales no tratables térmicamente y de resistencia moderada que conservan la resistencia a temperaturas elevadas y no suelen utilizarse para aplicaciones estructurales importantes. Las aplicaciones más comunes para las aleaciones de la serie 3xxx son: utensilios de cocina, radiadores, condensadores de aire acondicionado, evaporadores, intercambiadores de calor y sistemas de tuberías relacionados.

Silicio (Si) 4xxx: la adición de silicio al aluminio reduce la temperatura de fusión y mejora la fluidez. El silicio por sí solo, en el aluminio, produce una aleación no tratable térmicamente. Sin embargo, en combinación con magnesio, produce una aleación tratable térmicamente con endurecimiento por precipitación. Por lo tanto, dentro de la serie 4xxx hay tanto aleaciones tratables térmicamente como no tratables térmicamente. Las adiciones de silicio al aluminio se suelen utilizar para la fabricación de piezas fundidas. Las aplicaciones más comunes para las aleaciones de la serie 4xxx son los alambres de aporte para la soldadura por fusión y la soldadura fuerte de aluminio.

Magnesio (Mg) 5xxx: la adición de magnesio al aluminio aumenta la resistencia a través del fortalecimiento de la solución sólida y mejora su capacidad de endurecimiento por deformación. Estas aleaciones son las aleaciones de aluminio no tratables térmicamente con mayor resistencia y, por lo tanto, se utilizan ampliamente en aplicaciones estructurales. Las aleaciones de la serie 5xxx se producen principalmente en forma de láminas y chapas, solo ocasionalmente en forma de extrusiones. El motivo es que estas aleaciones se deforman para endurecerse rápidamente y, por lo tanto, extruirlas es difícil y costoso. Algunas de las aplicaciones más comunes para las aleaciones de la serie 5xxx son: carrocerías de camiones y trenes, edificios, vehículos blindados, construcción de barcos y embarcaciones, quimiqueros, recipientes a presión y tanques criogénicos.

Magnesio y silicio (Mg₂Si) 6xxx: la adición de magnesio y silicio al aluminio produce el compuesto silicida de magnesio (Mg₂Si). La formación de este compuesto proporciona a la serie 6xxx su capacidad de tratamiento térmico. Las aleaciones de la serie 6xxx se pueden extruir de forma fácil y económica. Por esta razón, las aleaciones 6xxx se encuentran principalmente en una amplia selección de formas extruidas. Estas aleaciones forman un importante sistema complementario con la aleación de la serie 5xxx. La aleación de la serie 5xxx se utiliza en forma de chapas y las de la serie 6xxx se suelen unir a la chapa de alguna forma extruida. Algunas de las aplicaciones más comunes para las aleaciones de la serie 6xxx son: pasamanos, ejes de transmisión, secciones de chasis de automoción, cuadros de bicicletas, muebles de jardín tubulares, andamios, refuerzos y tirantes utilizados en camiones, barcos y muchas otras fabricaciones de estructuras.

Zinc (Zn) 7xxx: la adición de zinc al aluminio (junto con algunos otros elementos, principalmente magnesio o cobre) produce aleaciones de aluminio de máxima resistencia que se pueden tratar térmicamente. El zinc aumenta sustancialmente la resistencia y permite un endurecimiento por precipitación. Algunas de estas aleaciones pueden ser susceptibles al agrietamiento por corrosión bajo tensión; por esta razón, generalmente no están soldadas por fusión. Otras aleaciones de esta serie a menudo se sueldan por fusión con excelentes resultados. Algunas de las aplicaciones más comunes de las aleaciones de la serie 7xxx son: sector aeronáutico, vehículos blindados, bates de béisbol y cuadros de bicicletas.

Hierro (Fe): el hierro es la impureza más común que se encuentra en el aluminio y se agrega intencionadamente a algunas aleaciones puras (serie 1xxx) para aumentar ligeramente la resistencia.

Cromo (Cr): el cromo se agrega al aluminio para controlar la estructura del grano y prevenir el crecimiento del grano en aleaciones de aluminio-magnesio. También ayuda a prevenir la recristalización en aleaciones de aluminio-magnesio-silicio o aluminio-magnesio-zinc durante el tratamiento térmico. El cromo también reduce la susceptibilidad a la corrosión bajo tensión y mejora la firmeza.

Níquel (Ni): el níquel se agrega a las aleaciones de aluminio-cobre y aluminio-silicio para mejorar la dureza y la resistencia a temperaturas elevadas, así como para reducir el coeficiente de dilatación.

Titanio (Ti): el titanio se agrega al aluminio principalmente para refinar el grano. El efecto de refinamiento del grano que presenta el titanio mejora si hay boro en el material fundido o si se agrega como una aleación maestra que contenga boro, combinado principalmente como TiB2. El titanio se suele añadir al alambre de aporte en la soldadura de aluminio, ya que refina la estructura de la soldadura y ayuda a prevenir el agrietamiento de la soldadura.

Circonio (Zr): el circonio se agrega al aluminio para formar un precipitado fino de partículas intermetálicas que inhiben la recristalización.

Litio (Li): la adición de litio al aluminio puede aumentar sustancialmente la resistencia y el módulo de Young, y proporcionar endurecimiento por precipitación y reducir la densidad.

Plomo (Pb) y bismuto (Bi): el plomo y el bismuto se agregan al aluminio para contribuir a la formación de virutas y mejorar la mecanización. Estas aleaciones de mecanizado libre a menudo no se pueden soldar porque el plomo y el bismuto producen componentes con bajo punto de fusión y pueden dar lugar a propiedades mecánicas deficientes y alta sensibilidad al agrietamiento en la solidificación.

Resumen

Actualmente existen numerosas aleaciones de aluminio que se utilizan en la industria. Hay más de 400 aleaciones forjadas y más de 200 aleaciones de fundición registradas en la Asociación de Aluminio. De hecho, una de las principales cuestiones en la soldadura de aluminio es identificar el tipo de aleación de base de aluminio que se va a soldar. Si el tipo de material de base del componente que se va a soldar no procede de una fuente fiable, puede ser difícil seleccionar un procedimiento de soldadura adecuado.

Existen algunas pautas generales sobre el tipo de aluminio que se utiliza con mayor probabilidad en diversas aplicaciones como las mencionadas anteriormente. Sin embargo, es muy importante ser conscientes de que las suposiciones incorrectas respecto a la química de una aleación de aluminio pueden tener consecuencia muy importantes en el rendimiento de la soldadura. Se recomienda encarecidamente realizar una identificación positiva del tipo de aluminio y desarrollar y probar procedimientos de soldadura para verificar el rendimiento de la soldadura.