El mecanizado del aluminio

Sin embargo la elevada cantidad de energía necesaria para su obtención dificulta su mayor utilización. Pero su reciclado es de bajo coste, tiene una vida útil dilatada y estabilidad de precio. Su densidad es 1/3 de la del acero, o el cobre. Muy maleable y dúctil, apto para el mecanizado y la fundición. Su uso excede al de cualquier otro, exceptuando el acero. Debido a su elevado calor de oxidación se forma rápidamente al aire una fina capa superficial de óxido de aluminio (Alúmina Al₂O₃), impermeable y adherente, que detiene el proceso de oxidación. La alúmina le da resistencia a la corrosión y durabilidad. Esta capa protectora puede ser ampliada por electrólisis en presencia de oxalatos. Como el Al tiene características anfóteras, se disuelve tanto en ácidos (sales de aluminio) como bases fuertes, formando aluminatos con el anión (Al(OH)₄), y libera hidrógeno. El Al reacciona con facilidad con el HCl, NaOH, ácido perclórico, pero en general resiste a la corrosión debido a su óxido. Sin embargo, cuando hay iones Cu++ y Cl- su pasivación desaparece, y es muy reactivo. Los Alquilaluminios son tan reactivos que destruyen el tejido humano, y arden al aire. El óxido de Al es tan estable, que se utiliza para obtener otros metales, a partir de sus óxidos.

El principal, y casi único estado de oxidación es +III, como es de esperar por sus 3 electrones en la capa de valencia.

El aluminio puro es blando (Escala de Mohs 2-3) y frágil, pero presenta un tono gris claro, debido a su recubrimiento protector. Funde a 660 °C. Sus aleaciones con pequeñas cantidades de cobre, manganeso, silicio, magnesio, y otros elementos (Duroaluminio), presentan una gran variedad de características adecuadas a muchas aplicaciones. Buena relación: resistencia/peso, respecto de otros metales.

En la historia no vemos al aluminio, pese a ser tan abundante en el planeta, sus aplicaciones industriales son relativamente recientes, desde finales del siglo XIX. En la antigüedad se usaba el alumbre, sulfato de Al y potasio. En 1825 el físico danés H.Oersted consiguió aislarlo por primera vez, por electrólisis. Las primeras síntesis del metal se obtuvieron al reducir el cloruro de aluminio con potasio. En 1835 substituyeron el potasio (caro) con el sodio. La bauxita es un mineral rico en Al, entre un 20-30% de la masa. El proceso Bayer es usado para su extracción en dos fases. Primero de la bauxita se obtiene la alúmina, y de ésta se separa el Al por electrólisis. Cada tonelada de Al requiere 17-20 MWh de energía eléctrica. De las cubas de electrólisis pasa al horno donde es purificado mediante la adición de un fundente, o se alea con otros metales, con objeto de obtener materiales con propiedades específicas.

Desde 1960 la recuperación del aluminio a partir de la chatarra es fácil. Cuesta sólo 5% de la energía eléctrica necesaria para extraerlo de la roca.

El Al tiene un peso atómico de 26.9815, y 9 isótopos cuyas masas atómicas varían desde 23 hasta 30. Tan sólo el isótopo 27 es estable, con 14 neutrones. El isótopo 26 tiene un periodo de desintegración de 720.000 años. Los isótopos de aluminio se usan para datación de sedimentos marinos y hielos polares. En arquitectura el aluminio en la fachada exige menos material, y requiere una estructura soporte más ligera. Un gran ahorro en costes de construcción y su uso no deja de crecer.

Este metal posee una combinación de propiedades, que lo hacen muy útil en ingeniería de materiales, tales como su baja densidad (2.700 kg/m³), y su alta resistencia a la corrosión atmosférica. Para disminuir su densidad se fabrica el Al alveolar, esponjoso, con varias clases de alveolos. Su límite de resistencia a tracción es de 160-200 MPa en estado puro, pero aleado puede alcanzar hasta 1.400-6.000 MPa. Su módulo elástico es 70 GPa. El duroaluminio es una aleación especialmente resistente. El Al no sirve como elemento estructural, pero sí en forma de aleaciones.

Dúctil, permite la fabricación de cables para electricidad. Es buen conductor de la electricidad (34-38 m/ohmio/mm²) y del calor. Se mecaniza con facilidad, y es relativamente barato.

La alúmina (Al₂O₃) se presenta de forma amorfa o cristalina. Amorfa es la capa superficial que recubre el Al. Cristalina hexagonal es el corindón: muy duro (1.500-1.650 kgf/ mm²), excelente para pulir metales, y alto punto de fusión (2.072 °C). En joyería lo llaman Rubí, si es de color rojo, y Zafiro, si es de color azul. El rubí-zafiro se emplea en el láser para producir la inversión de la población.

El 16 de mayo de 1960 Theodore Maiman logró el primer láser con una varilla de rubí. Alrededor de la varilla enrolló una lámpara espiral de flash neón. Produjo una descarga de luz en la lámpara de flash, que excitó los átomos de la varilla de rubí a un nivel energético superior, produciéndose un fenómeno conocido como la inversión de la población, en la cual hay una cantidad mayor de electrones en la capa superior E2 del rubí, que los electrones que tiene la capa inferior E1. Los electrones de la E2 saltan hacia abajo, a la E1, mientras emiten fotones láser. Estos fotones están en fase, y son de la misma frecuencia.

El Al después de extruido o decapado forma por sí solo una delgada película de óxido Al₂O₃, de un espesor de sólo 0,01 micras sobre la superficie, que le confiere unas mínimas propiedades de anticorrosión. Para engrosar esta capa mínima existe el proceso electrolítico llamado anodizado, que da excelente resistencia a los agentes químicos, mayor dureza, baja conductividad eléctrica y estructura molecular porosa, más duradera que la pintura. El anodizado da al Al una apariencia decorativa en varios colores, con técnicas de coloración tanto orgánicas como inorgánicas. El anodizado no es afectado por la luz solar, no se deteriora.

El anodizado duro permite obtener capas hasta 150 micras, según el proceso y la aleación. La dureza de estas capas es comparable a la del cromo duro, resistente a la abrasión, superior a muchos aceros, y al frotamiento. La alúmina es un aislante eléctrico, superior a la porcelana.

Al proceso de pintura llamamos lacado: es la aplicación de un revestimiento orgánico. Cuando se aplica a los perfiles de Al, consiste en la aplicación con pistola electrostática de una pintura en polvo, generalmente de tipo poliéster. El lacado mejora el aspecto estético y las propiedades físicas del Al. El espesor del lacado es de 60-70 micras. El polimerizado se realiza en un horno.

La corrosión del Al ocurre, si hay ácidos, particularmente el perclórico y clorhídrico. En soluciones muy alcalinas de KOH o NaOH ocurre una enérgica reacción. La presencia de CuCl₂, o CuBr₂ es fatal para el Al, y se disuelve en agua. Reacciona enérgicamente con Bromo en frio, y en caliente con muchas substancias, reacciones que van acompañadas de emisión de luz. La corrosión afecta más a las aleaciones de Al, que al Al puro.

La masa de Al semifluido, plástico, maleable, a 400-500 °C, se hace pasar a presión por una abertura, molde, especialmente dispuesto para conseguir perfiles de diseño complicado en carpintería metálica. A continuación sigue el temple del Al, enfriarlo con aire o agua. Para obtener perfiles de Al rectos, se les estira. Hay varias clases de temple, para aumentar la resistencia del Al. El Al reciclado también se puede extruir.

La fundición de piezas consiste en llenar un molde con la cantidad de metal fundido, requerido por las dimensiones de la pieza, insertar la colada en el molde. Después de la solidificación la pieza tiene el tamaño y forma del molde. La pieza puede ser una prótesis dental, con peso de gramos, o un gran bastidor de máquina, de varias toneladas. Se trata de formas complejas, que no se pueden lograr con forja o laminación.

El panel compuesto Alucobond se compone de dos láminas de aluminio, con 0,5 mm de espesor y un núcleo central de polietileno macizo teniendo un espesor final de 3,4 y 6 mm. Alucobond garantiza una óptima amortiguación de vibraciones. Es repelente al polvo, resistente a la intemperie y a una gran cantidad de acabados. Está recubierto con dos capas de resinas PFDF Fluoruro de polivinilideno, aplicadas con rodillos electroestáticos, que aseguran la continuidad de color, calidad y durabilidad, con un mínimo de 10 años de garantía. La resina es un termoplástico semicristalino transformable por fusión. Su estructura molecular y su alta cristalinidad le dan gran rigidez, alta resistencia a la rotura. Excelente resistencia a los productos químicos. Su densidad no es problema: 1,7 g/cm³. Es posible construir paneles de grandes dimensiones, permite el fresado, doblado, cortado y pegado.

Los paneles de aluminio permiten crear una arquitectura, compatible con los requerimientos de funcionalidad, atractivo estético y de diseño, excelentes para cerramientos y acabados. La carpintería de aluminio es ideal en la construcción de cubiertas, marquesinas, e incluso decoración interior, gran elasticidad de uso.

Aleaciones

El AL puro es un material blando y poco resistente a la tracción. Para mejorar sus propiedades mecánicas lo aleamos con cobre, magnesio, manganeso, cinc, silicio, etc. El popular duroaluminio lo debemos al metalúrgico alemán Alfred Wilm, que lo aleó con el cobre (solamente 3-5%). Actualmente las aleaciones de Al se clasifican en series, desde la 1.000 hasta la 8000. El duroaluminio (Al₂Cu) pertenece a la serie 2000, con una resistencia a la tracción de 442 MPa, apto para la aeronáutica. Existen aleaciones de forja y de fundición, con propiedades diferentes. Citemos además las Superaleaciones, que consisten en 3 o más elementos, diseñadas para alcanzar altas temperaturas, de alto precio. Se usan en álabes de turbina de gas.

Para ahorrar peso hay que disminuir la densidad. En el Al la solución ha consistido en el Al alveolar. Por ej.: Alucore es un panel de Al compuesto, con dos capas de cubierta y un núcleo de tipo alveolar de Al. Los poros o alvéolos pueden ser hexagonales o no.

El Al forma compuestos no metálicos, que no son aleaciones: ya hemos mencionado la Alúmina. Hay además los aluminosilicatos, una clase importante de minerales, forman parte de las arcillas, y son la base de muchas cerámicas y vidrio. El hidróxido de Al se emplea como antiácido y en tratamiento de aguas.

La máquina-herramienta de arranque de viruta obtiene el mecanizado rápido. Para el arranque de viruta las fuerzas de corte son menores que para el acero. La fuerza necesaria es un 30% de la usada para mecanizar el acero. La máquina herramienta es de Control Numérico, con cabezales potentes y robustos, que permiten girar a miles de revoluciones por minuto, hasta 30.000 rpm. La conductividad térmica del Al es elevada, y permite que el calor generado en el mecanizado se disipe con rapidez. El mecanizado rápido permite que muchas piezas complejas no sea necesario fundirlas, pero exige una costosa inversión en maquinaria. El corte de chapas se hace con cizallas.

Cuando hay que hacer dobleces es importante considerar la dirección del grano. La composición en el metal, al fabricarlo, ha tomado una tendencia direccional en su microestructura, mostrando así una mayor longitud hacia una dirección que hacia otra. Según cómo esa doblez puede quebrar la hoja de Al.

Hay 3 familias de herramientas de corte para el mecanizado del Al:

1. Acero rápido, para aleaciones de Al con bajo contenido de Silicio. Permite el uso de grandes ángulos de desprendimiento, para obtener unas mejores condiciones de corte. Hay herramientas de acero rápido pulvimetalúrgico recubierto. Para el acabado superficial hay plaquitas, que satisfacen incluso exigencias muy elevadas. Microdureza de la capa HV 2500.
2. Metal duro (carburos metálicos, widia) y Diamante. Estas herramientas duran más. Para el mecanizado de Al con gran contenido de Silicio hacen falta herramientas de carburo metálico. Se emplean en el mecanizado de Al a altas velocidades de corte. Las fundiciones de Al con la presencia de cristales de Silicio es de elevada dureza. Hay herramienta de metal duro de grano ultra fino. Dureza HV 1850. 6% de contenido de cobalto.
3. El Diamante tiene elevada duración, y es muy útil para el mecanizado de piezas que generen mucha viruta. Dureza HV 10.000.
4. Un mecanizado especial es el repujado. Una técnica de artesanía, que consiste en trabajar un bloque de Al, para obtener un dibujo ornamental en relieve. Como herramienta se usa un buril fino.

Hay la broca para metal, del diámetro adecuado, lubricada con aceite de corte, taladro vertical de columna y el taladro electrónico, para baja velocidad. A continuación la sierra de calar y sierra de mano. El punzón, o un buen clavo, y el martillo sirven para marcar. Evitar así que la broca se desplace del punto.

Electroerosión

También lo llamamos Mecanizado por descarga eléctrica. Recordemos que el Al es conductor de la electricidad. Electroerosión es la generación de un arco eléctrico entre la pieza metálica y un electrodo, en un medio dieléctrico, para arrancar virutas de la pieza, hasta conseguir reproducir en el Al las formas del electrodo. Ambos, pieza y electrodo deben ser conductores, para iniciar el arco que arranca virutas de metal. Sirve para mecanizar formas complejas.

Hay dos versiones: la conocida como RAM, ariete, y es ilustrativo del choque del electrodo contra la pieza. La otra versión usa el electrodo de hilo metálico.

Durante la electroerosión la pieza y el electrodo están casi juntos, una distancia de centésimas de milímetro. Al aplicar una diferencia de tensión contínua, pulsante, se crea un campo eléctrico intenso, que provoca un aumento de temperatura hasta 20.000 °C, salta la chispa, y volatiliza parte del metal. Dependiendo de la máquina, el proceso se repite miles de veces por segundo. Es posible cambiar la polaridad entre el electrodo y el metal. La pieza sufre una erosión uniforme, que reproduce la forma del electrodo. Las tasas de arranque de viruta con electrodo de forma son del orden de 2 cm³/h.

El electrodo de forma es de grafito, con su elevada temperatura de vaporización. Puede ser trabajado con una fresadora, con el fin de crear un electrodo macho o hembra. Esto significa que el electrodo tendrá la forma opuesta a la forma deseada y resultante en la pieza de trabajo. El electrodo también puede ser de cobre, pero su desgaste es más rápido.

El electrodo de forma permite cortar materiales frágiles, y se pueden producir agujeros muy inclinados en superficies curvas, sin problemas de deslizamiento. Así como una elevada relación de aspecto (cociente entre la longitud y el diámetro) es decir, con pequeño diámetro y gran profundidad, imposible en un taladro convencional. Con tolerancias muy ajustadas, en centésimas de mm. Por ej.: agujereado de las boquillas de los inyectores en la industria del automóvil.

La electroerosión por hilo: Es más moderno que el proceso anterior. Las tasas de arranque de material con hilo rondan los 350 cm³/h. El hilo puede ser de latón o de cinc, de un diámetro de décimas de mm. La rotura del hilo no crea problemas.

El soldeo de Al es al arco en atmósfera inerte (argón, helio) por puntos, o por fricción, corriente contínua o alterna. Hay dos técnicas de soldadura al arco: bajo atmósfera inerte con electrodo refractario, o procedimiento TIG, y la soldadura en atmósfera inerte con electrodo consumible MIG (Metal Inert Gas).

La TIG (Tungsten Inert Gas) tiene electrodo de tungsteno, permanente, no se desgasta. TIG es muy usada para Al, usa corriente alterna estabilizada. El espesor de la plancha puede ser hasta de 6 mm. Además es posible la soldadura robotizada. El gas argón protege el baño de fusión contra la oxidación.

MIG usa electrodo hilo consumible para la herramienta de soldadura, la pistola, con gas argón. Utiliza corriente contínua, con el polo negativo en la pieza y el positivo en el electrodo-hilo. La corriente es intensa: 250-300 A.

Para obtener una pieza de Al se funde éste, y se vierte en el molde para la conformación por moldeo. Hace 5.000 años ya se usaba el moldeo, fundición o colada. Primero hay que diseñar la pieza en madera o yeso, de forma artesanal. Luego se construye el molde, que será de arena. Si la pieza es hueca, hay que construir machos. El llenado del molde se conoce como colada. El Al se enfría en el molde. El desmoldeo consiste en extraer la pieza ya solidificada. Existe el moldeo del Al en estado semisólido, porque combina las ventajas de la fundición y la forja. Se logran piezas de fundición de alta calidad: bloques de motor, filtros de bombas de aceite, etc. Las distorsiones térmicas y las contracciones de solidificación son inferiores.

El Al es 100% reciclable, sin merma de sus propiedades. Hay que fundir el Al, y para eso hace falta solo 5% de la energía necesaria para producirlo. Reciclar latas de bebida, éstas tienen el valor más alto de todos los residuos, lo cual es un incentivo para su recuperación. En 2002 se produjeron en España 243.000 toneladas de Al reciclado. Esa chatarra se compacta, y se lleva al horno de fundición.

El futuro del aluminio

Desde los años 1950 los compuestos poliméricos reforzados con fibras de carbono han mostrado una relación Resistencia/peso superior a muchos metales. Los nuevos aviones, por ej.: Boeing 787 tiene sólo un 20% de aluminio (año 2009). En cambio el viejo Boeing 777 (año 1995) tiene 50%. El Al tiene una baja densidad, pero es blando. El Al de grano muy fino es más resistente, pero es menos dúctil. En bajas temperaturas atmosféricas: alta atmósfera y estratosfera el Al se vuelve quebradizo. Un inconveniente en aeronáutica.

No obstante necesitamos el Al para muchas aplicaciones, incluso para largos tendidos de líneas eléctricas: por ser menos denso que el cobre, las torres de alta tensión se pueden espaciar más. En la industria el Al sigue siendo muy importante, y no me refiero a los botes de bebida. Sus propiedades son muy diferentes a las de las fibras de carbono, pero el futuro del Al está firmemente asegurado.

Referencias

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• M.F.Ashby. Materials selection in Mechanical Design. Elsevier, Oxford. 2005.
• M.A.Meyers, A.Mishra, D.Benson. Prog.Mater.Sci 51 – 427. 2006.
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• L.Lu, Y.Shen, X.Chen, L.Quian, Science, 304, 422, 2004.
• A.King, G.Johnson, D.Engelberg, Science, 321, 382, 2008.

Nota:

Las fotos de estas páginas son del Museo de San Telmo, San Sebastián, diseñado y construido por Nieto Sobejano, arquitectos. Premio Bienal Iberoamericana de Arquitectura. Terminado en 2011. Las paredes están recubiertas por planchas de aluminio perforado artísticamente. El edificio antiguo también pertenece al Museo, es un antiguo convento de frailes dominicos, construido a mediados del siglo XVI, en la falda del monte Urgull.