Los materiales ferrosos se utilizan ampliamente en la industria de la ingeniería debido a su superioridad, variedad de propiedades mecánicas y menores costos. Aún así, los materiales no-también se utilizan en diversas aplicaciones por sus propiedades específicas en comparación con las aleaciones ferrosas, a pesar de su costo generalmente alto. Las propiedades mecánicas deseadas se pueden obtener en estas aleaciones mediante endurecimiento por trabajo, endurecimiento por envejecimiento, etc., pero no mediante procesos de tratamiento térmico normales utilizados para aleaciones ferrosas. Algunos de los principales materiales no-ferrosos de interés son el aluminio, el cobre, el zinc y el magnesio.
1. Aluminio
De todas las aleaciones no-ferrosas, el aluminio y sus aleaciones son las más importantes debido a sus excelentes propiedades. Algunas de las propiedades del aluminio puro por las que se utiliza en la industria de la ingeniería son:
1) Excelente conductividad térmica (0,53 cal/cm/C)
2) Excelente conductividad eléctrica (376 600/ohm/cm)
3) Baja densidad de masa (2,7 g/cm3)
4) Bajo punto de fusión (658C)
5) Excelente resistencia a la corrosión, de hecho el Al tiene mayor afinidad por el oxígeno. Como resultado, cuando el aluminio se expone al aire, la superficie se oxida fácilmente, formando óxido de aluminio. Esta capa de óxido tiene una buena unión con el metal base y, por lo tanto, lo protege de una mayor oxidación.
6) No es tóxico.
7) Tiene una de las reflectividades más altas (85 a 95%) y una emisividad muy baja (4 a 5%)
8) Es muy blando y dúctil por lo que tiene muy buenas propiedades de fabricación.
Tabla 1, Propiedades de las aleaciones de aluminio fundido.
Algunas de las aplicaciones en las que generalmente se utiliza el aluminio puro son conductores eléctricos, materiales de aletas de radiadores, unidades de aire acondicionado, reflectores ópticos y de luz, y materiales de aluminio y embalaje.
A pesar de las útiles aplicaciones mencionadas anteriormente, el aluminio puro no se utiliza ampliamente debido a los siguientes problemas:
1) Tiene baja resistencia a la tracción (65 MPa) y dureza (20 BHN)
2. Es muy difícil soldar o soldar.
Tabla 2, Algunas aleaciones de aluminio:
Las propiedades mecánicas del aluminio se pueden mejorar sustancialmente mediante aleación. Los principales elementos de aleación utilizados son cobre, manganeso, silicio, níquel y zinc.
El aluminio y el cobre forman el compuesto químico CuAl2. A partir de una temperatura de 548 C se disuelve completamente en aluminio líquido. Cuando se enfría y envejece artificialmente (mantenimiento prolongado a 100 - 150C), se obtiene una aleación endurecida. El CuAl2, que no envejece, no tiene tiempo de precipitar de la solución sólida de aluminio y cobre y, por tanto, se encuentra en una posición inestable (sobre-saturada a temperatura ambiente). El proceso de envejecimiento precipita partículas muy finas de CuAl2, lo que provoca el fortalecimiento de la aleación. Este proceso se llama endurecimiento por solución.
Los demás elementos de aleación utilizados son hasta un 7 % de magnesio, hasta un 1. 5 % de manganeso, hasta un 13 % de silicio, hasta un 2 % de níquel, hasta un 5 % de zinc y hasta un 1,5 % de hierro. Además de estos, también se pueden añadir titanio, cromo y columbio en pequeños porcentajes. La composición de algunas aleaciones de aluminio típicas utilizadas en moldeo permanente y fundición a presión se proporciona en la Tabla 2. 10 con sus aplicaciones. Las propiedades mecánicas que se esperan de estos materiales después de su fundición utilizando moldes permanentes o fundición a presión se muestran en la Tabla 2.
2. Cobre
Al igual que el aluminio, el cobre puro también encuentra una amplia aplicación debido a sus siguientes propiedades
1) La conductividad eléctrica del cobre puro es alta (5,8 x 105 /ohm/cm) en su forma más pura. Cualquier pequeña impureza reduce drásticamente la conductividad. Por ejemplo, el 0. 1% de fósforo reduce la conductividad en un 40%.
2) Tiene una conductividad térmica muy alta (0. 92 cal/cm/C)
3) Es un metal pesado (gravedad específica 8,93)
4) Se puede unir fácilmente mediante soldadura fuerte.
5) Resiste la corrosión,
6) Tiene un color agradable.
Tabla 3, Algunas aleaciones de cobre:
El cobre puro se utiliza en la fabricación de cables eléctricos, barras colectoras, cables de transmisión, tubos y tuberías para refrigeradores.
Las propiedades mecánicas del cobre en estado puro no son muy buenas. Es suave y relativamente débil. Se puede alear de forma rentable para mejorar las propiedades mecánicas. Los principales elementos de aleación utilizados son zinc, estaño, plomo y fósforo.
Las aleaciones de cobre y zinc se denominan latones. Con un contenido de zinc de hasta el 39 %, el cobre forma una estructura monofásica (-fase). Estas aleaciones tienen una alta ductilidad. El color de la aleación permanece rojo hasta un contenido de zinc del 20%, pero más allá se vuelve amarillo. Un segundo componente estructural llamado fase - aparece entre el 39 y el 46% del zinc. En realidad, es el compuesto inter-metálico CuZn el responsable del aumento de dureza. La resistencia del latón aumenta aún más cuando se añaden pequeñas cantidades de manganeso y níquel.
Las aleaciones de cobre con estaño se denominan bronces. La dureza y resistencia del bronce aumentan con un aumento en el contenido de estaño. La ductilidad también se reduce con el aumento del porcentaje de estaño por encima de 5. Cuando también se añade aluminio (4 a 11%), la aleación resultante se denomina bronce de aluminio, que tiene una resistencia a la corrosión considerablemente mayor. Los bronces son comparativamente costosos en comparación con los latones debido a la presencia de estaño, que es un metal caro.
Algunas de las aleaciones de cobre con sus composiciones y aplicaciones se presentan en la Tabla 3.
3. Otros materiales
Zinc- El zinc se utiliza principalmente en ingeniería debido a su baja temperatura de fusión (419,4 C) y su mayor resistencia a la corrosión, que aumenta con la pureza del zinc. La resistencia a la corrosión se debe a la formación de una capa protectora de óxido en la superficie. Las principales aplicaciones del zinc son la galvanización para proteger el acero de la corrosión, la industria gráfica y la fundición a presión.
Las desventajas del zinc son la fuerte anisotropía exhibida en condiciones de deformación, la falta de estabilidad dimensional en condiciones de envejecimiento, una reducción en la resistencia al impacto a temperaturas más bajas y la susceptibilidad a la corrosión inter-granular. No se puede utilizar para servicio por encima de una temperatura de 95 °C porque causará una reducción sustancial en la resistencia a la tracción y la dureza.
Su uso generalizado en la fundición a presión se debe a que requiere una presión más baja, lo que da como resultado una mayor vida útil del troquel en comparación con otras aleaciones de fundición a presión. Además, tiene muy buena maquinabilidad. El acabado obtenido mediante fundición a presión de zinc suele ser adecuado para justificar cualquier procesamiento posterior, excepto la eliminación de las rebabas presentes en el plano de separación.
Magnesio- Debido a su peso ligero y buena resistencia mecánica, las aleaciones de magnesio se utilizan a velocidades muy altas. Para obtener la misma rigidez, las aleaciones de magnesio requieren solo el 37. 2% del peso del acero C25, ahorrando así peso. Los dos principales elementos de aleación utilizados son el aluminio y el zinc. Las aleaciones de magnesio pueden ser fundidas en arena, en molde permanente o a presión. Las propiedades de los componentes de aleación de magnesio fundidos en arena-son comparables con las de los componentes fundidos en molde permanente o a presión-. Las aleaciones de fundición a presión-generalmente tienen un alto contenido de cobre para permitir que se fabriquen a partir de metales secundarios para reducir costos. Se utilizan para fabricar ruedas de automóviles, cárteres, etc. Cuanto mayor sea el contenido, mayor será la resistencia mecánica de las aleaciones forjadas de magnesio-como los componentes laminados y forjados. Las aleaciones de magnesio se pueden soldar fácilmente mediante la mayoría de los procesos de soldadura tradicionales. Una propiedad muy útil de las aleaciones de magnesio es su alta maquinabilidad. Sólo requieren alrededor del 15% de energía para el mecanizado en comparación con el acero con bajo contenido de carbono.
