Aluminio

El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Se trata de un metalno ferromagnético. Es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8% de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayoría de las rocas, de la vegetación y de los animales.^[1] En estado natural se encuentra en muchos silicatos (feldespatos, plagioclasas y micas). Como metal se extrae únicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, por transformación primero en alúmina mediante el proceso Bayer y a continuación en aluminio metálico mediante electrólisis.

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. Mediante aleaciones adecuadas se
puede aumentar sensiblemente su resistencia mecánica (hasta los 690 MPa). Es buen conductor de la electricidad y del calor, se mecaniza con facilidad y es relativamente barato.
Por todo ello es desde mediados del siglo XX^[2] el metal que más se utiliza después del acero.

Fue aislado por
primera vez en 1825 por el físico danésH. C. Oersted. El principal inconveniente para su obtención reside 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.

Historia

Tendencia de la producción mundial de aluminio.

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 y la física y la química, se identificó
el elemento. Su nombre inicial, aluminum, fue propuesto por el británico
Sir Humphrey Davy en el año 1809. A medida que
se sistematizaban los nombres de los distintos elementos, se cambió por
coherencia a la forma aluminium, que es la preferida hoy en día por la IUPAC debido al uso uniforme del sufijo -ium. No es
sin embargo la única aceptada ya que la primera forma es muy popular en los Estados Unidos.^[3] En el año 1825, el físico danés Hans Christian Ørsted, descubridor del electromagnetismo, consiguió
aislar por electrólisis unas primeras muestras, bastante impuras. El aislamiento total fue
conseguido dos años después por Friedrich Wöhler.

Primera estatua construida de aluminio dedicada a Anteros y ubicada en Picadilly- Londres,
construida en 1893.

La extracción
del aluminio a partir de las rocas que lo contenían se reveló como una tarea
ardua. 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 exorbitado, y tan preciado o más que la plata o
el oro. Durante la Exposición Universal de 1855 se expusieron unas barras de aluminio junto a las joyas de la
corona de Francia. El mismo emperador había pedido una vajilla de aluminio para
agasajar a sus invitados. De alumino se hizo también el vértice del Monumento a Washington, a un precio que rondaba en 1884 el de la plata.^[4]

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 la producción de aluminio se incrementó
vertiginosamente. Si en 1882, la producción anual alcanzaba apenas las 2
toneladas, en 1900 alcanzó las 6.700 toneladas, en 1939 las 700.000 toneladas,
2.000.000 en 1943, y en aumento desde entonces, llegando a convertirse en el
metal no férreo más producido en la actualidad.

La abundancia
conseguida produjo una caída del precio, y que perdiese la vitola de metal
preciado para convertirse en metal común.^[5] Ya en 1895 abundaba lo suficiente como para ser empleado en la
construcción, como es el caso de la cúpula del edificio de la secretaría de Sídney, donde se
empleó este metal. 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.

Estructura atómica

El aluminio
tiene número atómico 13. Los 13 protones que forman el núcleo están rodeados de 13 electrones dispuestos en la
forma:

1s²2s²2p⁶3s²3p¹

La valencia es
3 y las energías de ionización de los tres primeros electrones son, respectivamente: 577,5 kJ/mol, 1816,7
kJ/mol y 2744,8 kJ/mol. 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 y su vida media es de 7,2×10⁵
años. Además de esto existen otros siete isótopos cuyo peso está comprendido
entre 23 y 30 unidades de masa atómica.

El ²⁶Al
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. Al igual que el ¹⁴C,
la medida de las abundancias del ²⁶Al es utilizada en técnicas de
datación, por ejemplo en procesos orogenéticos cuya escala es de millones de
años o para determinar el momento del impacto de meteoritos. En el caso de
estos últimos, la producción de aluminio radiactivo cesa cuando caen a la
tierra, debido a que la atmósfera filtra a partir de ese momento los rayos
cósmicos.

El aluminio
posee tres radios iónicos en su estado de oxidación +3,
dependiendo del número de coordinación del átomo. Dicho esto, tenemos que para
un número de 4 el radio es 53,0 pm, para 5 es 62,0 pm y para 6 es 67,5 pm.^[6]

 

Características

Detalle superficial (55×37 mm) de una barra de
aluminio (pureza ≥ 99,9998%). La superficie ha sido pulida mediante medios
químicos con ácido (etching) para evidenciar a simple vista las estructura de
las cristalitas metálicas.

Características físicas

El aluminio es
un elemento muy abundante en la naturaleza, sólo aventajado por el silicio y el
oxígeno. Se trata de un metal ligero, con una densidad de 2700 kg/m³,
y con un bajo punto de fusión (660 °C). Su color es blanco y refleja bien la
radiación electromagnética del espectro visible y el térmico. Es buen conductor
eléctrico (entre 34 y 38 m/(Ω mm²)) y térmico (80 a 230 W/(m·K)).

Características
mecánicas

Mecánicamente
es un material blando (Escala de Mohs: 2-3-4) y
maleable. En estado puro tiene un límite de resistencia en tracción de 160-200 N/mm² (160-200 MPa). Todo
ello le hace adecuado para la fabricación de cables eléctricos y láminas
delgadas, pero no como elemento estructural. Para mejorar estas propiedades se
alea con otros metales, lo que permite realizar sobre él operaciones de
fundición y forja, así como la extrusión del material. También de esta forma se
utiliza como soldadura.

 

 

Características químicas

 

Estructura atómica del aluminio.

La capa de valencia del aluminio está poblada por tres electrones, por lo que su estado normal
de oxidación es III. Esto hace que reaccione con el oxígeno de la atmósfera
formando con rapidez una fina capa gris mate de alúmina Al₂O₃,
que recubre el material, aislándolo de ulteriores corrosiones. Esta capa puede
disolverse con ácido cítrico. A pesar de ello es tan estable que se usa con frecuencia para extraer
otros metales de sus óxidos. Por lo demás, el aluminio se disuelve en ácidos y
bases. Reacciona con facilidad con el ácido clorhídrico y el hidróxido sódico.

Aplicaciones y usos

La utilización
industrial del aluminio ha hecho de este metal uno de los más importantes,
tanto en cantidad como en variedad de usos, siendo hoy un material polivalente
que se aplica en ámbitos económicos muy diversos y que resulta estratégico en
situaciones de conflicto. Hoy en día, tan sólo superado por el hierro/acero. El
aluminio se usa en forma pura, aleado con otros metales o en compuestos no
metálicos. En estado puro se aprovechan sus propiedades ópticas para fabricar
espejos domésticos e industriales, como pueden ser los de los telescopios reflectores. Su uso más popular, sin embargo, es como papel aluminio, que consiste
en láminas de material con un espesor tan pequeño que resulta fácilmente
maleable y apto por tanto para embalaje alimentario. 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 tradicional. Dado que, a igual longitud y masa, el conductor de aluminio
tiene más conductividad, resulta un componente útil para utilidades donde el
exceso de peso no es importante. Es el caso de la aeronáutica y de los
tendidos eléctricos donde el menor peso implica en un caso menos gasto de
combustible y mayor autonomía, y en el otro la posibilidad de separar las
torres de alta tensión.^[7]

Además de eso,
aleado con otros metales, se utiliza para la creación de estructuras portantes
en la arquitectura y para fabricar piezas industriales de todo tipo de
vehículos y calderería. También está presente en enseres domésticos tales como utensilios de
cocina y herramientas. Se utiliza asimismo en la soldadura
aluminotérmica y como combustible químico y explosivo por su alta
reactividad. Como presenta un buen comportamiento a bajas temperaturas, se
utiliza para fabricar contenedores criogénicos.

El uso del
aluminio también se realiza a través de compuestos que forma. 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. Ambas formas se pueden fabricar
artificialmente.^[8] y se utilizan como el medio activo para producir
la inversión de población en los láser. Asimismo, la
dureza del corindón permite su uso como abrasivo para pulir metales. Los medios
arcillosos con los cuales se fabrican las cerámicas son ricos en aluminosilicatos. También los
vidrios participan de estos compuestos. Su alta reactividad hace que los
haluros, sulfatos, hidruros de aluminio y la forma hidróxida se utilicen en
diversos procesos industriales tales como mordientes, catálisis, depuración de
aguas, producción de papel o curtido de cueros. Otros compuestos del aluminio
se utilizan en la fabricación de explosivos.^[9]

 

 

Producción

 

Bobina de chapa de aluminio.

El aluminio es
uno de los elementos más abundantes de la corteza terrestre (8%) y uno de los
metales más caros en 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.

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 porque la bauxita extraída allí se
disgrega con más facilidad. Es un mineral rico en aluminio, entre un 20% y un
30% en masa, frente al 10% o 20% de los silicatos alumínicos existentes en
arcillas y carbones. Es un aglomerado de diversos compuestos que contiene caolinita, cuarzo óxidos de hierro y titania, y donde el aluminio se
presenta en varias formas hidróxidas como la gibbsita Al (OH)₃,
la boehmita AlOOH y la diásporo AlOOH.

La obtención
del aluminio se realiza en dos fases: la extracción de la alúmina a partir de la
bauxita (proceso Bayer) y la extracción del aluminio a partir de esta última mediante electrolisis. Cuatro
toneladas de bauxita producen dos toneladas de alúmina y, finalmente, una de
aluminio. El proceso Bayer comienza con el triturado de la bauxita y su lavado
con una solución caliente de hidróxido de sodio a alta presión y temperatura. La sosa disuelve los compuestos del
aluminio, que al encontrarse en un medio fuertemente básico, se hidratan:

Al(OH)₃ + OH^- + Na^*
→
Al(OH)₄^- + Na^*

AlO(OH)₂ + OH^- + H₂O + Na^* → Al(OH)₄^- + Na^*

Los materiales
no alumínicos se separan por decantación. La solución
cáustica del aluminio se enfría luego para recristalizar el hidróxido y
separarlo de la sosa, que se recupera para su ulterior uso. Finalmente, se
calcina el hidróxido de aluminio a temperaturas cercanas a 1000 °C, para formar
la alúmina.

2 Al(OH)₃→Al₂O₃ + 3 H₂O

El óxido de aluminio así obtenido
tiene un punto de fusión muy alto (2000 °C) que hace imposible someterlo a un
proceso de electrolisis. Para salvar este escollo se disuelve en un baño de criolita, obteniéndo una
mezcla eutéctica con un punto de fusión de 900 °C. A continuación se procede a la
electrólisis, que se realiza sumergiendo en la cuba unos electrodos de carbono (tanto el ánodo como el cátodo), dispuestos en horizontal. Cada tonelada de aluminio requiere entre 17 y
20 MWh de energía para su obtención, y consume en el proceso 460 kg de carbono,
lo que supone entre un 25% y un 30% del precio final del producto, convirtiendo
al aluminio en uno de los metales más caros de obtener. De hecho, se están
buscando procesos alternativos menos costosos que el proceso electrolítico.^[11] El aluminio obtenido tiene un pureza del 99,5% al 99,9%, siendo las
impurezas de hierro y silicio principalmente.^[12] De las cubas 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.
Después se vierte en moldes o se hacen lingotes o chapas.

Aleaciones

El aluminio
puro es un material blando y poco resistente a la tracción. Para mejorar estas
propiedades mecánicas se alea con otros elementos, principalmente magnesio, manganeso, cobre, zinc y silicio, a veces se
añade también titanio y cromo. La primera
aleación de aluminio, el popular duraluminio fue
descubierta casualmente por el metalúrgico alemán Alfred Wilm y su principal aleante era el cobre. Actualmente las
aleaciones de aluminio se clasifican en series, desde la 1000 a la 8000, según
el siguiente cuadro.

Las series
2000, 6000 y 7000 son tratadas térmicamente para mejorar sus propiedades. El
nivel de tratamiento se denota mediante la letra T seguida de varias
cifras, de las cuales la primera define la naturaleza del tratamiento. Así T3
es una solución tratada térmicamente y trabajada en frío.

• Serie 1000:
       realmente no se trata de aleaciones sino de aluminio con presencia de
       impurezas de hierro o aluminio, o también pequeñas cantidades de cobre,
       que se utiliza para laminación en frío.

• Serie 2000: el
       principal aleante de esta serie es el cobre, como el duraluminio o el avional. Con un tratamiento T6 adquieren una resistencia
       a la tracción de 442 MPa, que lo hace apto para su uso en estructuras de
       aviones.

• Serie 3000: el
       principal aleante es el manganeso, que
       refuerza el aluminio y le da una resistencia a la tracción de 110 MPa. Se
       utiliza para fabricar componentes con buena mecanibilidad, es
       decir, con un buen comportamiento frente al mecanizado.

• Serie 4000: el
       principal aleante es el silicio.

• Serie 5000: el
       principal aleante es el magnesio que
       alcanza una resistencia de 193 MPa después del recocido.

• Serie 6000: se
       utilizan el silicio y el magnesio. Con un tratamiento T6 alcanza una resistencia de 290 MPa, apta para
       perfiles y estructuras.

• Serie 7000: el
       principal aleante es el zinc. Sometido a un tratamiento T6 adquiere una resistencia de 504 MPa,
       apto para la fabricación de aviones.

Extrusión

La extrusión es un proceso
tecnológico que consiste en dar forma o moldear una masa haciéndola salir por
una abertura especialmente dispuesta para conseguir perfiles de diseño
complicado.^[13]

Se consigue
mediante la utilización de un flujo continuo de la materia prima, generalmente
productos metalúrgicos o plásticos. Las materias primas se someten a fusión, transporte, presión y deformación a través de un molde según sea el perfil que se quiera
obtener.

El aluminio
debido a sus propiedades 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. Se puede extruir tanto aluminio
primario como secundario obtenido mediante reciclado.

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 (tocho) haciéndolo pasar por un molde (matriz),
para conseguir la forma deseada. Cada tipo de perfil, posee un “molde” llamado
matriz adecuado, que es el que determinará su forma.

El tocho es
calentado (aproximadamente a 500 °C, temperatura en que el aluminio alcanza un
estado plástico) para facilitar su paso por la matriz, y es introducido en la prensa. Luego, la
base del tocho es sometida a una llama de combustión incompleta, para generar
una capa fina de carbono. Esta capa evita que el émbolo de la prensa quede
pegado al mismo. La prensa se cierra, y un émbolo comienza a
empujar el tocho a la presión necesaria, de acuerdo con las dimensiones del
perfil, obligándolo a salir por la boca de la matriz. La gran presión a la que
se ve sometido el aluminio hace que este eleve su temperatura ganando en maleabilidad.

Los componentes
principales de una instalación de extrusión son: el contenedor donde se coloca
el tocho para extrusión bajo presión, el cilindro principal con pistón que
prensa el material a través del contenedor, la matriz y el portamatriz.

Del proceso de
extrusión y temple, dependen gran parte de las características mecánicas de los perfiles, así
como la calidad en los acabados, sobre todo en los anodizados. El temple, en
una aleación de aluminio, se produce por efecto mecánico o térmico, creando
estructuras y propiedades mecánicas características.

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 les enfría con aire o agua, en función de
su tamaño y forma, así como las características de la aleación involucrada y
las propiedades requeridas. Para obtener perfiles de aluminio rectos y eliminar
cualquier tensión en el material, se les estira. Luego, se cortan en longitudes
adecuadas y se envejecen artificialmente para lograr la resistencia apropiada.
El envejecimiento se realiza en hornos a unos 200 °C y están en el horno
durante un periodo que varía entre 4 a 8 horas. Todo este proceso de realiza de
forma automatizada.^[14]

Temple de los perfiles

Los procesos
térmicos que aumentan la resistencia del aluminio. Hay dos proceso de temple
que son el tratamiento térmico en solución, y el envejecimiento. El temple T5
se consigue mediante envejecimiento de los perfiles que pasan a los hornos de
maduración, los cuales mantienen una determinada temperatura durante un tiempo
dado. Normalmente 185 °C durante 240 minutos para las aleaciones de la familia
6060, de esta forma se consigue la precipitación del silicio con el magnesio en
forma de siliciuro de magnesio (SiMg₂) dentro de las dendritas de
aluminio, produciéndose así el temple del material. La temperatura de salida de
extrusión superior a 510 °C para las aleaciones 6060 más el correcto
enfriamiento de los perfiles a 250 °C en menos de cuatro minutos, es
fundamental para que el material adquiera sus propiedades, ^[15] a este material se le considera de temple 4 o T4 o también conocido como
sin temple.

El temple es
medido por Durometros, con la unidad de medida llamada Webster o grados
Websters.

Fundición de piezas

La fundición de
piezas consiste fundamentalmente 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.

En el proceso
de fundición con molde de arena se hace el molde en arena consolidada por una
apisonadora manual o mecánico alrededor de un molde, el cual es extraído antes
de recibir el metal fundido. A continuación se vierte la colada y cuando
solidifica se destruye el molde y se granalla la pieza. Este método de
fundición es normalmente elegido para la producción de:

• Piezas estructurales fundidas de gran tamaño.

La fundición en
molde metálico permanente llamados coquillas, sirven para obtener mayores
producciones. En este método se vierte la colada del metal fundido en un molde
metálico permanente bajo gravedad y bajo presión centrífuga.Puede resultar
caro, difícil o imposible fundirlas por moldeo.

En el método de
fundición por inyección a presión se funden piezas idénticas al máximo ritmo de
producción forzando el metal fundido bajo grandes presiones en los moldes
metálicos.

Mediante el
sistema de fundición adecuado se pueden fundir piezas que puede variar desde
pequeñas piezas de prótesis dental, con peso de gramos, hasta los grandes
bastidores de máquinas de varias toneladas, de forma variada, sencilla o
complicada, que son imposibles de fabricar por otros procedimiento
convencionales, como forja, laminación, etc.

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.^[16]

Características de las aleaciones para fundición

Las aleaciones
de aluminio para fundición han sido desarrolladas habida cuenta de que
proporcionan calidades de fundición idóneas, como fluidez y capacidad de
alimentación, así como valores optimizados para propiedades como resistencia a
la tensión, ductilidad y resistencia a la corrosión. Difieren bastante de las
aleaciones para forja. El silicio en un rango entre el 5 al 12% es el elemento
aleante más importante porque promueve un aumento de la fluidez en los metales
fundidos. En menores cantidades se añade magnesio, o cobre con el fin de
aumentar la resistencia de las piezas.^[12]

Mecanizado

El mecanizado del aluminio y
sus aleaciones en máquinas herramientas de arranque de virutas en general, 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 considerablemente 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).^[17] 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 concepto de
mecanizado rápido se refiere al que se produce en las modernas máquinas
herramientas de Control Numérico con cabezales potentes y robustos que les
permiten girar a muchos miles de revoluciones por minuto hasta del orden de
30.000 rpm, y avances de trabajo muy grandes cuando se trata del mecanizado de
materiales blandos y con mucho vaciado de viruta tal y como ocurre en la
fabricación de moldes o de grandes componentes de la industria aeronáutica.

El aluminio
tiene 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 así mismo
mucho menores que en otros materiales.

Ocurre, sin
embargo, que el coeficiente de fricción entre el aluminio y los metales de
corte es, comparativamente con otros metales, elevado. Este hecho unido a su
baja resistencia hace que se comporte como plastilina, pudiendo
causar el embotamiento de los filos de corte, deteriorando la calidad de la superficie mecanizada a bajas velocidades de corte e incluso a
elevadas velocidades con refrigeración insuficiente.
Siempre que la refrigeración en el corte sea suficiente, hay una menor
tendencia al embotamiento con aleaciones más duras, con velocidades de corte
mayores y con ángulos de desprendimiento mayores.

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%. En este tipo
de mecanizado rápido se torna crítico la selección de las herramientas y los
parámetros de corte. La adopción del mecanizado de alta velocidad es un proceso
difícil para el fabricante, ya que requiere cambios importantes en la planta,
una costosa inversión en maquinaria y software, además de una
formación cualificada del personal.^[18]

Herramientas de
corte

Para el
mecanizado rápido que se realiza en las máquinas herramientas de Control
Numérico es conveniente que se utilicen 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. La mayoría de las herramientas de filo múltiple como por ejemplo las
fresas, tienen pocos dientes.

Hay tres
grandes familias de herramientas de corte para el mecanizado del aluminio:

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

• Las herramientas de acero rápido son apropiadas
       para el mecanizado de aleaciones de aluminio con bajo contenido en
       silicio. Permite el uso de grandes ángulos de desprendimiento para obtener
       unas mejores condiciones de corte. El acero rápido es más económico que el
       metal duro cuando la maquinaria de que se dispone no permite el uso de las
       velocidades de corte alcanzables con el carburo metálico. En el mecanizado
       de aluminios con elevado contenido de silicio el desgaste de este tipo de
       herramientas se acelera. Estas herramientas se utilizan principalmente en
       la industria de carpintería metálica para el
       mecanizado de perfiles extrusionados.

• Las herramientas de metal duro (widia) ofrecen la
       ventaja de una mayor duración de la herramienta. Se emplean en el mecanizado
       de aluminios con elevado contenido en silicio así como
       para los mecanizados a altas velocidades de corte. Las fundiciones de
       aluminio, con la presencia de cristales de silicio de elevada dureza
       requieren obligatoriamente el uso de herramientas de carburo metálico.
       Dentro de los carburos metálicos los distintos fabricantes tienen
       distintas gamas y calidades, en función de las condiciones de corte
       requeridas.

• Las herramientas de diamante se caracterizan por
       su elevada duración, incluso si se emplean en el mecanizado de aleaciones
       con un elevado contenido en silicio. Suelen emplearse para trabajos de
       mecanizado en piezas que generen mucha viruta.^[19]

Refrigeración del mecanizado

Como lubricante de corte para el
aluminio es recomendable que se utilicen productos emulsionables en agua con
aditivos de lubricación específicamente formulados a tal fin que estén exentos
de compuestos en base cloro y azufre La lubricación
se utiliza en operaciones de taladrado, torneado, fresado, brochado, escariado y deformación.^[20]

Mecanizado por electroerosión

Las aleaciones
de aluminio permiten su mecanizado por procedimientos de electroerosión que es un
método inventado para el mecanizado de piezas complejas. No obstante, este
método no es del todo adecuado para el aluminio, pues su elevada conductividad
térmica reducen notablemente la velocidad de eliminación del material, ya de
por sí bastante lenta para este método.

Se conoce como electroerosión a un proceso
de mecanizado que utiliza la energía suministrada a través de descargas
eléctricas entre dos electrodos para eliminar material de la pieza de trabajo,
siendo ésta uno de los electrodos.^[21] Al electrodo que hace las funciones de herramienta se le suele denominar
simplemente electrodo mientras que al electrodo sobre el cual se desea llevar a
cabo el arranque se le conoce como pieza de trabajo. Este sistema permite
obtener componentes con tolerancias muy ajustadas a partir de los nuevos
materiales que se diseñan.

Soldadura

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

• Hay dos técnicas de soldadura al arco de un lado
       la soldadura al arco bajo atmósfera inerte con electrodo refractario o
       procedimiento TIG y de otro lado la soldadura al arco bajo atmósfera inerte con
       electrodo consumible o procedimiento MIG.

La soldadura
TIG (Tungsten Inert Gas), se caracteriza por el empleo de un electrodo
permanente de tungsteno, aleado a veces con torio o zirconio en porcentajes
no superiores a un 2%. Dada la elevada resistencia a la temperatura del tungsteno
(funde a 3.410 °C), acompañada de la protección del gas, la punta del electrodo
apenas se desgasta tras un uso prolongado. Los gases más utilizados para la
protección del arco en esta soldadura son el argón y el helio, o mezclas de
ambos. Una varilla de aportación alimenta el baño de fusión. Esta técnica es
muy utilizada para la soldadura de aleaciones de aluminio y se utiliza en
espesores comprendidos entre 1 y 6 mm y se puede robotizar el proceso.

• En el momento de ejecutar una soldadura la
       limpieza de las piezas es esencial. La suciedad, aceites, restos de
       grasas, humedad y óxidos deben ser eliminados previamente, bien sea por
       medios mecánicos o químicos. Los métodos de limpieza químicos requieren
       equipos costosos para el tratamiento superficial y no se pueden usar
       siempre por esta razón.
• El gas inerte que más se utiliza en la soldadura
       normal en los talleres es el argón puro, puesto que es mucho más económico
       y requiere menor flujo de gas. El helio se usa sólo cuando se exige mayor
       penetración.
• Para mantener libre de humos y gases la zona de
       soldadura, es aconsejable la instalación de extractores de humos y gases.
       La intensidad del arco es mucho mayor que en la soldadura de acero y bajo
       ningún concepto se debe mirar al arco sin una máscara de protección
       adecuada.

Soldadura de aluminio por fricción

La soldadura
por fricción es un proceso de penetración completa en fase sólida, que se
utiliza para unir chapas de metal, principalmente de aluminio, sin alcanzar su punto de fusión. El
método está basado en el principio de obtener temperaturas suficientemente
altas para forjar dos componentes de aluminio, utilizando una herramienta
giratoria que se desplaza a lo largo de una unión a tope. Al enfriarse deja una
unión en fase sólida entre las dos piezas. La soldadura por fricción, puede ser
utilizada para unir chapas de aluminio sin material de aportación. Se consiguen
soldaduras de alta calidad e integridad con muy baja distorsión, en muchos
tipos de aleaciones de aluminio, incluso aquellas consideradas de difícil
soldadura por métodos de fusión convencionales.^[22]

Doblado

El aluminio se
presenta en el mercado en diversas formas, ya sean estas barras con diversos perfiles u hojas de
varios tamaños y grosores entre otras. 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, el cual sobrepase la integridad elástica del tipo de aluminio.

Tratamientos protectores superficiales

Anodizado

Componentes de aluminio anodizado.

Este metal,
después de extruido o decapado, para protegerse de la acción de los agentes
atmosféricos, forma por sí solo una delgada película de óxido de aluminio; esta
capa de Al₂O₃, tiene un espesor más o menos regular del
orden de 0,01 micras sobre la superficie de metal que le confiere unas mínimas
propiedades de inoxidacción y anticorrosión.^[23]

Existe un
proceso químico electrolítico llamado 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.

Según sea el
grosor de la capa que se desee obtener existen dos procesos de anodizados:

• Anodizados decorativos coloreados.

• Anodizados de endurecimiento superficial

Las ventajas
que tiene el anodizado son:

• La capa superficial de anodizado es más duradera
       que la capas obtenidas por pintura.
• El anodizado no puede ser pelado porque forma
       parte del metal base.
• El anodizado le da al aluminio una apariencia
       decorativa muy grande al permitir colorearlo en los colores que se desee.
• Al anodizado no es afectado por la luz solar y por tanto no se deteriora.

Los anodizados más comerciales son los que se utilizan coloreados por motivos decorativos. Se emplean diversas técnicas de coloración tanto orgánicas como inorgánicas.

Anodizado duro

Cuando se requiere mejorar de forma sensible la superficie protectora de las piezas se procede a un denominado anodizado duro que es un tipo de anodizado donde se pueden obtener capas de alrededor de 150 micras, según el proceso y la aleación. La dureza de estas capas es comparable a la del cromo-duro, su resistencia a la abrasión y al frotamiento es considerable. Las propiedades del anodizado duro son:

• Resistencia a la abrasión: lo que permite que tenga una resistencia al desgaste superficial superior a muchos tipos de acero.
• Resistencia eléctrica. La alúmina es un aislante eléctrico de calidad excelente, superior a la de la porcelana.
• Resistencia química. La capa anódica protege eficazmente el metal base contra la acción de numerosos medios agresivos.
• Porosidad secundaria o apertura más o menos acusada en la entrada de los poros debido al efecto de disolución del baño.

Es muy importante a la hora de seleccionar el material para un anodizado duro, verificar la pieza que se vaya a mecanizar y seleccionar la aleación también en función de sus características y resistencia mecánica.

Pintura

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. Existen diferentes sistemas de lacado para el 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. Los objetivos del lacado son:

• Mejorar el aspecto estético y las propiedades físicas del aluminio.

El proceso de lacado, puede dividirse en tres partes:

• Limpieza de las piezas
• Imprimación de pintura
• Polimerizado

El proceso de lacado exige una limpieza profunda de la superficie del material, con disoluciones acuosas ácidas, para eliminar suciedades de tipo graso. Este proceso consigue una mayor adherencia a las pinturas. Mejora la resistencia a la corrosión y a los agentes atmosféricos. La imprimación con la pintura deseada se realiza en cabinas equipadas con pistolas electrostáticas. La pintura es polvo de poliéster, siendo atraído por la superficie de la pieza que se laca. Combinando todos los parámetros de la instalación se consiguen las capas de espesor requeridas que en los casos de carpintería metálica suele oscilar entre 60/70 micras. El polimerizado se realiza en un horno de convención de aire, de acuerdo con las especificaciones de tiempo y temperatura definidos por el fabricante de la pintura. El sistema industrial de lacado puede estar robotizado.^[]

Corrosión del aluminio

El aluminio metálico se recubre espontáneamente de una delgada capa de óxido que evita su corrosión. Sin embargo, esta capa desaparece en presencia de ácidos, particularmente del perclórico y clorhídrico; asimismo, en soluciones muy alcalinas de hidróxido potásico (KOH) o hidróxido sódico (NaOH) ocurre una enérgica reacción. La presencia de CuCl₂ o CuBr₂ también destruye el óxido y hace que el aluminio se disuelva enérgicamente en agua. Con mercurio y sales de éste, el aluminio reacciona si está limpio formando una amalgama que impide su pasivación. Reacciona también enérgicamente en frío con bromo y en caliente con muchas sustancias, dependiendo de la temperatura, reduciendo a casi cualquier óxido (proceso termita). Es atacado por los haloalcanos. Las reacciones del aluminio a menudo van acompañadas de emisión de luz.^[

No obstante, las aleaciones de aluminio se comportan bastante peor a corrosión que el aluminio puro, especialmente si llevan tratamientos de recocido, con los que presentan problemas graves de corrosión intercristalina y bajo tensiones debido a la microestructura que presentan en estos estados.

Reciclaje. Aluminio secundario

El aluminio es 100% reciclable sin merma de sus cualidades físicas, y su recuperación por medio del reciclaje se ha convertido en un faceta importante de la industria del aluminio. El proceso de reciclaje del aluminio necesita poca energía. El proceso de refundido requiere sólo un 5% de la energía necesaria para producir el metal primario inicial. El reciclaje del aluminio fue una actividad de bajo perfil hasta finales de los años sesenta, cuando el uso creciente del aluminio para la fabricación de latas de refrescos trajo el tema al conocimiento de la opinión pública. Al aluminio reciclado se le conoce como aluminio secundario, pero mantiene las mismas propiedades que el aluminio primario. La fundición de aluminio secundario implica su producción a partir de productos usados de dicho metal, los que son procesados para recuperar metales por pretratamiento, fundición y refinado.

Se utilizan combustibles, fundentes y aleaciones, mientras que la remoción del magnesio se practica mediante la adición de cloro, cloruro de aluminio o compuestos orgánicos clorados.^[]

Las mejores técnicas disponibles incluyen:

• Hornos de alta temperatura muy avanzados.
• Alimentación libre de aceites y cloro.
• Cámara de combustión secundaria con enfriamiento brusco
• Adsorción con carbón activado.
• Filtros de tela para eliminación de polvos.

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. La preparación de la chatarra descartando los elementos metálicos no deseados o los inertes, llevarán a que se consiga la aleación en el horno de manera más rápida y económica.

El residuo de aluminio es fácil de manejar porque es ligero, no arde y no se oxida y también 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.^[

Toxicidad

Este metal fue considerado durante muchos años como inocuo para los seres humanos. Debido a esta suposición 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 una profusa investigación 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.

La exposición al aluminio se produce principalmente cuando:

• Se consumen medicamentos que contengan altos niveles de aluminio.
• Se inhala polvo de aluminio que esté en la zona de trabajo.
• Se vive donde se extrae o procesa aluminio.
• Se colocan vacunas que contengan aluminio.
• Se ingieren alimentos cítricos preparados sobre una superficie de aluminio.

Cualquier persona puede intoxicarse con aluminio o sus derivados, pero algunas personas son más propensas a desarrollar toxicidad por aluminio.^[

El aluminio y los suelos

En algunos suelos del planeta el aluminio tiende a concentrarse en algunos de los horizontes del perfil, otorgándole características muy particulares. De los 11 órdenes de suelos que se reconocen según la clasificación del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, dos de ellos presentan una alta concentración de aluminio: los oxisoles, que se desarrollan en latitudes tropicales y subtropicales y los spodosoles, que se hallan en climas fríos y bajo vegetación de coníferas.^[] En este tipo de suelos el contenido en nutrientes disponibles para las plantas es bajo, sólo el magnesio puede ser abundante en algunos casos; además su elevado contenido en aluminio agrava el problema por su toxicidad para las plantas. En las regiones tropicales y subtropicales en las que se presentan estos suelos lo habitual es que se cultiven plantas con bajas necesidades nutritivas y con fuerte resistencia al aluminio, tales como el té, el caucho y la palma de aceite.^[

• Anodizado
• Aluminosis
• Aleaciones de aluminio
• Aleaciones ligeras