el aluminio y sus aleaciones en la era de los materiales avanzados

el aluminio y sus aleaciones en la era de los materiales avanzados

EL ALUMINIO Y SUS ALEACIONES
EN LA ERA DE LOS MATERIALES AVANZADOS
Pedro L. Orsettl Rosal
feaumen: Este trabajo presenta aspectos generales en relación al aluminio y sus aleaciones
así como sus perspectivas en la era de los materiales de ingeniería avanzados. Una vez
definida dicha era, se ilustran las propiedades que hacen tan atractivo al aluminio,
mencionando las principales aplicaciones, segmentos del mercado y materiales que compiten
con este metal. Se hace un pronóstico de la producción mundial en lo que resta de siglo y
a más largo plazo.
Palabras clave: Aluminio 1Aplicaciones del aluminio/ Evolución de los materiales/ Evolución
de precios/ Materiales avenzados 1 Producción mundial del aluminio/ Propiedades del
aluminio/ Segmentos del mercado.
ALUMINUM ANO ITS ALLOYS IN THE AGE OF
ADVANCED MATERIALS
Abstract: This paper presents general aspects in relation to aluminum and its alloys as well
as their perspectivas into the age of advanced engineering materials. Once this age has
been introduced, the properties that make aluminum so attractive are briefly discussed,
mentioning the main applications, market segments and materials which compete with this
metal. A forecast of the wor1d production is done for the remainder of this century and on a
longer term.
Key words: Advanced Materials 1 Aluminum 1Aluminum Applications/ Aluminum Properties
1 Aluminum Wor1d Production 1 Market Segments 1 Materials Evolution 1 Prices Evolution.
l. INTRODUCCIÓN
A través de la historia, el desarrollo de las
sociedades siempre ha estado ligado al dominio de
los materiales. La Figura 1 muestra la evolución de
los materiales en términos de la importancia relativa
en diferentes épocas de la historia [1 ). Esta importancia
se refiere a la rapidez con que se desarrolla un grupo
de materiales con propiedades similares, tales como
metales, polímeros, compuestos, cerámicas y vidrios,
proporcionando continuamente nuevos miembros con
mejores propiedades para satisfacer aplicaciones de
ingeniería cada vez más exigentes, al tiempo que gana
participación en mercados diversos. El descubrimiento
del cobre, bronce y hierro (Edad de Bronce, 4000 a
1000 AC y Edad de Hierro, 1000 AC a 1620 Era
Común) estimuló avances significativos, mientras que
el desarrollo de la tecnología del hierro colado (1 6201850) decretó el inicio del dominio de los metales en
ingeniería. Para 1960, la importancia relativa de los
metales era de l orden del 80% y aunque habían
occurrido desarrollos importantes de cerámicas, tales
como cemento Portland, refractarios, sílica fund ida,
así como de los polímeros goma , baqueli ta y
polietileno, su participación en el mercado entre todos
los materiales era pequena.
El Dr. Pedro L Orsetti es Investigador de la Gerencia de Investigación y Desarrolo de CVG Industria Venezolana de Aluminio CA. (VENALUM} ,
Zona Industrial Matanzas, Apdo. 1088, Ciudad Guayana, Venezuela, Tel 5~9415« 1 940318, Fax ~940497 , E-mail: pcnetti@
telcel.nel ve.
- - - - - - - I I P I ! H I . ü , CII!ICIU 7 .I!CietM•A. Ailo J. Número 4. Diciembre 1997. pp. J-U
. 1\IET.-\LES
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D COI\IPUESTOS D CERAMICAS Y VIDRIO
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términos de volumen de producción, se ilustran en la
Figura 3 con datos globales de USA, Europa y Japón
en 1995 [2].
1100 (54.9%)
80
20(1.0%)
21 (1.1%)
110 (5.5%)
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750 (37.4%)
1960
Fecha
1995
2020
••
D
F1g. 1 Evoluc1ón de los materiales en térmmos de la importancia
relativa en diferentes épocas de la historia {1}
Sin embargo, esa tendencia ha sido revertida
completamente debido fundamentalmente a mayores
requerimientos de desempeño. Desde entonces el
desarrollo de metales ha sido lento, concentrándose
mayormente en control de calidad y procesamiento,
mientras que cerámicas, vidrios, compuestos y
polímeros se han desarrollado con mucha rapidez,
en casos desplazando metales en muchas
aplicaciones, tendencia que se espera se mantenga
en años por venir. Hoy en día están disponibles
alrededor de 80.000 materiales y, por ejemplo, varios
polímeros son creados diariamente. Nunca antes la
evolución de los materiales ha sido tan rápida y el
rango de propiedades tan variado. Esta es la era de
los materiales avanzados.
La situación actual , en cuanto a producción
mundial se refiere, se presenta en la Figura 2 en
millones de t/año para 1995. Claramente, el cemento
ocupa el primer lugar con 1.100 millones de t,
siguiéndole el acero (que incluye hierro colado),
plásticos y aluminio con 750, 11 Oy 21 millones de t,
respectivamente. Entre los 20 millones de t de otros
metales, el cobre representa la mayor parte con unas
12 millones de t, mientras el magnesio tan sólo
involucra alrededor de 0.3 millones de t (la mitad de
las cuales es destinada como aleante de aleaciones
de aluminio). Es importante notar que, en términos
volumétricos , la producción de plásticos es
comparable con la del acero. La producción de
aluminio ha venido en franco crecimiento desde el
principio del presente siglo, a expensas
fundamentalmente de aceros, hierro colado y
aleaciones de cobre. Los segmentos de este
mercado, así como su importancia relativa en
D
D
Cemento
Acero
Plásticos
Aluminio
Otros metales
Fig. 2. Producción mundial de varios matenales en millones de
toneladas métricas por afio para 1995
Se pueden identificar los segmentos transporte,
empaques, ingeniería mecánica, ingeniería eléctrica,
construcción-edificación y misceláneos. Es de notar
que los sectores transporte, empaques y construcciónedificación cuentan con la mayor participación
(aproximadamente 70%, unas 14.7 millones de t/año).
27.9%
6.9%
7.8
21 .1%
•
•
Transporte
Contenedores y Empaques
D Ingeniería Mecánica
O Ingeniería Eléctrica
O Construcción y edificación
O Misceláneos
Fig 3. Relativa Importancia de los distmtos segmentos del
mercado del alumm1o y sus aleaciones en USA, Europa y Japón
para 1995.[2}
••ITI!HI•.A.•. CII!.CI.A. 1 II!C.elM• .A.. Año 1. Número 4. Diciembre 1997. - -- - - - - - - -
- - - - - - - - - -- - - - - - Orsetti, P., El Aluminio y sus aleaciones en la Era tú los Matmales Avallt,IU/os
En la actualidad ocurren desarrollos intensos en
el área de materiales, particularmente termoplásticos
mejorados, compuestos de matriz polímero y
cerámicas de ingeniería más tenaces, así como la
firme intención de las aleaciones ferrosas y de cobre
de recuperar participación en algunos de los
segmentos donde habían dominado tradicionalmente.
No hay duda que la capacidad del aluminio, si
mantiene un crecimiento sostenido significativo hacia
el próximo siglo, va a depender de la capacidad de la
industria de procesar las aleaciones eficientemente,
para proveer productos que se adapten a los cada
vez más exigentes estándares de calidad, así como
estimular el desarrollo de nuevas aleaciones y
métodos de fabricación que conduzcan más
rápidamente a la forma final del producto . Por
supuesto, que el precio y su estabilidad juegan un
papel importante, así como la creciente necesidad de
reciclaje, lo que no sólo es reconocido por tener un
impacto ambiental positivo, sino que también genera
ahorros substanciales.
Este trabajo presenta aspectos generales en
relación al aluminio y sus aleaciones, así como sus
perspectivas en la era de los materiales avanzados,
con una breve revisión de las principales aplicaciones,
segmentos del mercado y materiales que compiten
con este metal. Además, se hace un pronóstico de la
producción mundial en lo que resta de siglo y a más
largo plazo.
11. DESARROLLO
1. HISTORIA DEL ALUMINIO
Además del desarrollo de un método económico
para la extracción de aluminio, es decir, el proceso de
reducción electrolítica de aluminio [3] y del
descubrimiento de las zonas de Guinier-Preston [4],
un evento no menos notable es la evolución del precio
del aluminio primario desde 1905 (Figura 4 [5,6]).
Hasta 1958, Al coa(" Aluminum Company of America")
fijaba los precios mediante una política muy simple,
que hacia que el crecimiento del consumo fuera
promovido naturalmente por el mercado, tomando en
cuenta los precios del acero y el cobre. El resto de los
productores se alineaban a los precie..; de Alcea, con
el resultado de que el precio del aluminio primario
descendió desde unos 17.000 US$/t hasta valores en
el orden de 1800 US$/t, con un Incremento substancial
y sostenido de la producción mundial. La crisis
energética de 1973, que favorece algunas
aplicaciones de aleaciones de aluminio, decreta el fin
del alineamiento y en 1978 el aluminio se convierte
en un ·commodity•, cotizado en el London Metal
Exchange (LME). Desde entonces, el mercado del
aluminio ha sufrido una creciente presencia de bancos,
instituciones financieras y fondos de mversión,
especialmente en el LME, cuyo efecto en los prec1os
se resume en inestabilidad, incremento a finales de
los 80s y colapso en los 90s.
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Ario
Fig 4 EvoluCión de los prectos de venta del alum1mo pnmano
desde 1905 {5,6]
En la actualidad, el precio del alumin io se
caracteriza por ser volátil, cambiando sus cotizaciones
de manera significativa de un día al siguiente No
parece haber productor satisfecho con esta
inestabilidad, debido a que hay mercados que, dada
su magnitud , son muy sensibles a cambios muy
pequeños en el precio LME. Tal es el caso de latas de
bebidas carbonatadas, donde el cambio en un centavo
de US$ en el precio LME puede significar, tan sólo en
USA, una variación anual de 1 mili ardo de US$ a n1vel
de precio de la lata. Esto se agrava debido a que la
competencia se caracteriza precisamente por una
clara política de precios. Por otro lado , algunos
segmentos se ven afectados al paralizar el desarrollo
de productos; en el sector transporte, se cons1dera
que precios LME , superiores a 1800-2000 US$/t
tienden a desestimular los desarrollos en aleaciones
de aluminio para estas aplicaciones. Es por esto que
el precio promedio anual a largo plazo debe estar en
el orden de 1700 US$/t.
2. PROPIEDADES Y PROCESAMIENTO DEL
ALUMINIO
Cuando se selecciona un material para una
determinada aplicación, lo que se busca es buen
desempeño, bien sea durante la subsecuente
manufactura o en servicio. Tal desempeño, a su vez,
depende de las propiedades (mecánicas, térmicas,
eléctricas, ópticas, magnéticas y deteriorativas) y éstas
de la estructura del material.
En este contexto, una de las razones por las
cuales las aleaciones de aluminio se encuentran
entre los materiales de ingeniería de mayor
consumo , es la atractiva combinación de
propiedades, entre las que se pueden mencionar:
Ligereza
Alta relación resistencia-densidad (resistencia
específica)
(iii) Tenaz
{iv)
Resistente a la corrosión
(v)
Buen conductor de calor y electricidad
{vi)
Endurecible mediante deformación en frío
(vii) Algunas aleaciones responden a tratamientos
térmicos de envejecimiento, dando un
potencial endurecimiento adicional
(viii) No es tóxico
(ix)
No es chispeante
No es magnético
(x)
No es combustible
(xi)
{xii) nene alta reflectividad
(xiii) Apariencia atractiva y amplio rango de
acabados superficiales
(xiv) Reciclable
(i)
(ii)
La Tabla 1 compara algunas propiedades del
aluminio con otros metales [7]. Es importante hacer
notar que las aleaciones de aluminio, aunque en
términos absolutos son menos resistentes
mecánicamente que los aceros, su resistencia
específica es similar, tal como se puede inferir al
comparar los módulos específicos en la Tabla l. En
cuanto a la resistencia del material a la propagación
de grietas, o tenacidad a la fractura, las aleaciones
de aluminio, como todos los metales, son resistentes
a la propagación de grietas , a diferencia de
cerámicas y vidrios que se agrietan fácilmente. Las
aleaciones de aluminio tienen una tenacidad a la
fractura aproximadamente cinco veces menor que
los aceros y también son menos tenaces que las
aleaciones de Cu, Ni y Ti; no obstante, son más
tenaces que las fundiciones de hierro y aleacrones de
Mg. En cuanto a resistencia al desgaste, las aleacrones
de aluminro se desgastan, a una determrnada presrón
normal , más rápidamente que la mayoría de las
aleaciones metálicas, soportando tambrén menores
presiones. La diferencia con hierros colados es
notable, aunque la situación se puede revertir
completamente aleando aluminio con elevadas
cantidades de silicio o reforzando aleacrones de
aluminio con SiC o Al203. Finalmente, el alumrnio y
sus aleaciones presentan una alta resrstencra a la
corrosión en la mayoría de los ambientes, excepto en
la presencia de bases fuertes.
Típicamente, el aluminio líquido obtenido por
reducción electrolítica o por refusión de chatarra o por
ambos procesos, es procesado directamente para
conformar piezas de fundición o es solidificado para
obtener un semi-producto, que posteriormente se
conforma en el estado sólido, o tambrén el líqurdo es
atomizado para producrr polvos para su postenor
consolidación y conformado. Existen, por lo tanto,
métodos de fundición tales como moldeo en arena,
en coquilla metálica, a la cer3 perdida, donde ellíqurdo
se solidifica en una pieza con forma muy cercana a la
final. Los métodos de conformado, tales como
laminación, forja , extrusión, embutido, trefilado, etc.,
procesan el aluminro en el estado sólido aprovechando
la relativa facilidad del mismo para deformarse en el
campo plástico. Cuando se requiere extender ellímrte
de solubilidad de un aleante en el estado sólido, el
aluminro líquido se puede pulverizar, para ser
conformado y densificado por los métodos de
metalurgia de polvos. Existen también procesos
emergentes, tales como procesamiento de aleaciones
de aluminio en el estado semi-sólido, del cual existen
ya aplicaciones comerciales. En general, los productos
finales se obtienen aplrcando operacrones de
Tabla l. Algunas propiedades físicas de metales puros [7]
Propiedad
Al
Punto de fusión (0 C)
Densrdad relativa (p)
Módulo de Young E (GPa)
Módulo específico Elp
Calor específico medio 0-1000C (Jkg· 1K-1)
Conductividad térmica 20-1 OOOC(Wm-1 K-1)
Coeficiente de expansión térmica 0-1 OOOC
(1 G-6k"1)
Resistividad eléctrica a 200C (ll ohm cm- 1}
660
2.70
70
26
917
238
23.5
2.67
n
Fe
Cu
650
1.74
45
26
1038
156
26.0
1678
4 51
120
26
528
26
8.9
1535
7.87
211
27
456
78
12.1
1083
896
130
14
386
397
17.0
4.2
54
10.1
1 69
Mg
- - - - - - - - - - - - - - - - Orsetti, P., El Aluminio y sus aleaciones en la Era tk los Matuiales Avanuulos
3.1 CONTENEDORES.- Considérense los
requerimientos de los matenales para latas de beb1das
suaves y con alcohol, cuya producc1ón demanda alta
tecnología:
(i)
Evitar, en lo posible, costuras
(ii)
El contenedor no debe presentar fugas, no se
debe corroer en presencia de la beb1da, no debe
ser tóxico y debe ser reciclable
(iii)
Usar tan poca cantidad de metal como sea
posible.
mecanizado, tratamiento térmico, unión y acabado.
3. APLICACIONES DEL ALUMINIO
Las Figuras 5 y 6 presentan las aleaciones de
aluminio más importantes en diagramas
composicionales para los segmentos contenedores,
empaques, extrusiones y fundiciones. Los límites
indicados para cada elemento son los establecidos
por la "Aiuminum Association" [8].
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CONTENEDORES
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Contenido en peso de Fe ((Yo)
F1g. 5. Diagramas compos1C1onales de acuerrlo a los lim1tes establec1dos por la ",·1/ummum Assoc1a11o11"
para las aleac1ones empleadas para mater10les de empaque y co11te11edores
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EXTRUSIONES
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Contenido en peso de Si(%)
Fig. 6. D10gramas compos1C1onales de acuerdo a los limites establecidos por la "Alummum Assoc1011on"
para las aleaciones empleadas para extrusiones y fundiciones.
17
111
{1v)
{v)
El metal debe ser dúctil, embut1ble para
producir el cuerpo en una sola pieza
El contenedor debe ser liviano y su costo muy
pequeño.
Esto hace al aluminio, con su superficie 1ntenor
recubierta por una delgada capa de polietileno, la
obvia elección En verdad, el aluminio es el material
de empaque por excelencia. La Figura 5 presenta,
en un diagrama Mg-Mn, las aleaciones de aluminio
empleadas para "stock" de latas de bebidas.
Aproximadamente el 15% {21% entre USA, Japón y
Europa) del summistro mundial de alum1nio es
destinada a producción de contenedores y
empaques.Aunque en el pasado se hacía el cuerpo
con la aleación 3003, los requenmientos de cada
vez menores espesores condujeron a las aleaciones
típicas de hoy en día, es decir, 3104 o 3004,
básicamente aleación 3003 a la cual se ha agregado
entre 0.5 y 1% Mg. La tapa es casi exclusivamente
hecha de 5182, mientras que la palanca de apertura
se fabnca con aleac1ón 5042. Las propiedades de
las aleaciones empleadas para el cuerpo de las latas
{3104 y 3004) aún deben ser mejoradas debido a
los requerimientos ad1c1onales de d1sm1nuc1ón de
peso, lo cual se hace a través de la reducción del
espesor del cuerpo del contenedor [9]. El "stock" de
latas de bebidas es aún producido por la ruta
convencional, es decir, colada OC, homogeneizado
con postenor lam1nación en caliente y en frío. De
hecho, la tecnología para fabricación de latas ha
s1do desarrollada para operar con el material
resultante de la ruta convencional. Ésta es una de
las razones por las cua la colada continua de láminas
no ha sido un proceso exitoso para fabricar "stock"
para el cuerpo de la lata, ya que la aleación que se
obtiene tiene propiedades muy diferentes a la
obtenida por la ruta convencional. Otra de las
razones, por supuesto, es el hecho de que este
segmento es de muy alto volumen de producción,
pudiendo ser satisfecho por la vía convencional y
no por colada continua, ya que ésta última está
diseñada para manejar volúmenes pequeños y, por
ende, nichos específicos del mercado.
Por otro lado, la aleac1ón 3003 (conjuntamente
con 3103 y 3105) continúa con gran aceptación en
el segmento de contenedores rígidos y semi-rígidos,
en part1cular para producir tanto contenedores como
tapas para los mismos en la industna farmacéutica
y de alimentos e incluso, para aceites y otros
lubricantes.
En USA, casi el 100% de las latas de 355 mi
para bebidas es aleac1ón de alum1n10, aunque el
acero ha comenzado a recuperar participación en
este mercado En Europa [2], el aluminio en este
t1po de contenedor ha pasado de 37% de part1c1pac1ón
en 1985 hasta 55% en 1995, a expensas del acero.
participación que tiende a aumentar Tomando en
general los contenedores para beb1das dulces y
cerveza, en todos los tamaños en USA, la part1c1pac1ón
del aluminio es de 58% , plásticos {pol1etlleno
tereftalato, un poliester denominado "PET") 28%, vidno
12% y acero 1% (1 0]. El aluminio es efect1vo en
términos de costo en contenedores pequeños {150500 mi), pero en contenedores de mayor capacidad
{1-3 1) , los plásticos son mas atractivos
económicamente.
La competencia con aceros mejorados (alta
resistencia, baja aleación, también denominados
microaleados) está siempre latente debido a que el
acero tiene precios estables, es barato y, además,
presenta mejor embutibilidad, deb1do a que el acero,
a pesar de tener mayor resistencia mecánica absoluta
que las aleaciones de aluminio, puede ser deformado
plásticamente en una mayor extens1ón que las
aleaciones de aluminio, antes de que la formac1ón del
cuello (inestabilidad en tracción) conduzca a fractura
El polietileno teraftalato, por otro lado, también se
presenta como una amenaza en las bebidas
carbonatadas, aunque en general en la actualidad no
es económico en recipientes de pequeña capac1dad,
como se mencionó antenormente. No obstante, es
cada vez más frecuente encontrar contenedores de
"PET" de 500 mi, así como botellas de v1dno de hasta
1 l. En cuanto a la rec1clabilidad del "PET". el recipiente
podría ser reusado, SI no en la aplicación original, en
otra diferente, tales como juguetes de baja calidad.
3.2 EMPAQUES.- En este segmento, las propiedades
y la resultante apariencia de las aleaciones de alum1nio
son insuperables [11 ]. El papel de aluminio cumple
con una función de barrera a la luz, vapor de agua,
oxígeno y gases que producen aromas y olores,
permitiendo preservar alimentos y otros b1enes.
Además , el aluminio presenta buena laminabilidad
hasta espesores muy fmos {< 50 mm) , buena
resistencia a la corrosión y no es tóxico El papel fino
puede ser laqueado o laminado con películas plást1cas
para usarlos como empaques para productos de la
dieta diaria, alimentos deshidratados, cigarrillos,
chocolate y dulces, café, productos farmacéuticos,
cables, capacitares, aislamiento La apanenc1a del
papel de aluminio cuando se lamina doble es muy
atractiva para muchos tipos de empaques, al permitir
la impresión de lagos e información. Como la mayoría
de las aleaciones empleadas se basan en aluminio
de pureza comercial, las mismas t1enen buena
conductividad eléctrica, lo que permite penetrar
aplicaciones tales como capacitares eléctncos y
apantallamiento de cables . Fmalmente la alta
- - - - - - - - - - - - - - - - Onetti, P., El Aluminio y sus aleaciones en la Era dL los Materiales Avanvulos
reflectividad para con la radiación se emplea para
aislamiento en refrigeradores.
Varias aleaciones de la serie 1XXX y 8XXX están
bien establecidas (Figura 5), con una más creciente
participación de láminas obtenidas por colada
continua, proceso que ya está bien establecido (10].
Las aleaciones más comunes en la ruta convencional
(colada DC con posterior laminación en caliente y en
frío) son las aleaciones 1100 y 1200. La aleación 1100
también se produce por colada continua de láminas,
pero las propiedades y apariencia son inferiores a la
obtenida por la ruta convencional. Por tal razón se
producen por colada continua aleaciones con mayor
contenido de Si, tales como 8011 y 8111 , mejorando
la calidad y resistencia mecánica considerablemente.
Cuando se requiere mayor resistencia mecánica, se
incrementa el contenido de Fe como en la aleación
8079 para la ruta convencional o en las aleaciones
8006 y 8014 (que contienen también Mn) para
producción mediante colada continua.
estructuras conformadas con lám1nas. Es Importante
indicar que el uso de láminas de aleaciones de
aluminio para cuerpo de vehículos, se espera que
crezca anualmente entre 15 y 20%, para ub1carse en
una demanda total de unas 800.000 Uaño de aluminio
primario para el año 2015 [13]. Por supuesto esta
tendencia es el resultado de presiones por reducir el
peso promedio de un vehículo, cuya mayor parte se
obtendrá por el reemplazo de partes ferrosas (acero,
hierro colado) por aluminio y plásticos. Tales fuerzas
promotoras de este cambio son:
(i)
Regulaciones ambientales que conllevan a
reducir el peso de vehículos y así ahorrar
combustible
(ii)
Demandas sociales como seguridad y "comfort"
que requieren mayor equipo en vehículos,
ocasionando que el incremento de peso tenga
que ser compensado por reducciones
adicionales de peso en otras partes del vehículo
(iii)
Flexibilidad modular
3.3 TRANSPORTE (EXTRUSIONES Y LÁMINAS).Aunque las extrusiones son comúnmente
conocidas por la aceptación que tienen en el sector
de construcción y edificación, incluso en ambientes
corrosivos, son también consideradas en aplicaciones
estructurales más exigentes, como en vehículos
espaciales, maquinarias, equipos electrónicos y
aplicaciones marinas. En este sentido, las aleaciones
de la serie 6XXX (6063, 6060, 6061 , 6082, 6005A),
que se muestran en la Figura 6 en el diagrama Mg-Si,
son las de mayor importancia, aunque existen otras
aleaciones atractivas, cuya escala de producción es
más limitada, tales como la 2618A, 3003, 5083 y 7020.
La aleación 6061, popular en USA, también se produce
mediante forjado, mientras que la aleación 6082 que
es más popular en Europa, ha generado reciente
interés por la alta resistencia mecánica que se puede
lograr. Aproximadamente el 90% de las extrusiones
son aleaciones blandas (1XXX, 3XXX y 6XXX). De
este 90%, del 60-70% es 6063 y el resto corresponde
a las otras aleaciones de la serie 6XXX antes
indicadas, conjuntamente con las aleaciones 1100 y
3003.
Se espera que las extrusiones de aleaciones, tales
como 6063, 6060, 6082, 6005A y 6061 , formen parte
de una generación futura de vehículos de pasajeros
que emplean el concepto de los vehículos espaciales
(12]. Este concepto estaría vinculado también al uso
de láminas para el sector automotriz (y transporte en
general) de aleaciones tales como 2008, 2010, 2036,
2017, 5454, 5754,5182, 6013, 6016, 6009,6010, 6111 ,
6069, 7020. Para su unión, en lugar de emplear
soldadura, resulta mejor emplear adhesivos, lo cual
tiene el beneficio de aumentar la rigidez global de las
No obstante, el acero sigue dominando el segmento
de vehículos de alto volumen de ~reducción . La
proporción en peso de los materiales que conforman
tales vehículos es acero (75%), piezas de hierro colado
(15%), gomas de cauchos y mangueras (4%) y el6%
restante es vidrio, zinc, cobre, aluminio y plásticos.
Esto se debe, en parte, a que la tecnología disponible
en la industria automotriz está basada en el uso de
acero que es más maleable que las aleaciones de
aluminio, más fácil y barato de reparar y el precio de
venta del vehículo es mayor cuando se usan
cantidades significativas de aluminio. De hecho, el
aluminio tiene más ventajas en vehículos más costosos
y especializados (bajo a moderado volumen, es decir,
entre 60.000 y 80.000 unidades por año) por las
siguientes razones:
(i)
La demanda de este tipo de vehículo es menos
sensitiva al precio
(ii)
El desempeño del material es esencial en estos
diseños, restándole importancia al precio
(iii)
El aluminio es más competitivo como material
sustituto cuando se usa en vehículos de bajo
volumen de producción
En cuanto a los materiales compuestos de matriz
polímero (termoplásticos reforzados con cortes de
fibras de vidrio o de carbón, grado moldeable) para
uso en paneles del cuerpo y motor de vehículos
particulares, su alto costo, aunado a la necesidad de
un cambio significativo en la tecnología de
manufactura disponible y dificultades para reciclar este
tipo de material, los hacen opciones atractivas para
automóviles de bajo volumen de producción a más
largo plazo (quizás en unos 50 años , ya estos
materiales compuestos puedan ser reciclables y
entonces existirá suficiente presión para el cambio
de tecnología de manufactura que se demanda).
Hace pocos años se presentó una revisión [14] de
los compuestos de matriz metálica, indicándose las
aplicaciones potenciales como algunos aspectos de
importancia tales como:
(i)
El segmento automotriz es uno de los más
atractivos, con limitadas aplicaciones para alta
temperatura (productos aeroespaciales).
(ii)
Estos materiales no penetrarán el mercado
sino hasta después del año 201 O.
(lii) Es necesario trasladar los desarrollos de
aplicaciones militares al sector civil, aunque
el costo los dirigiría a segmentos de alto
desempeño.
(iv) Aunque las propiedades de los compuestos
los hacen atractivos para diversas
aplicaciones, su habilidad para vencer
barreras económicas, regulatorias y técnicas
permanece incierta.
3.4 TRANSPORTE (FUN DICIONES).- A nivel
mundial se producen alrededor de 50 millones de V
año de fundiciones, de las cuales el 78% son
fundiciones de hierro (gris, maleable y dúctil), 11%
son aceros (dulce y de baja aleación), 8% aleaciones
de aluminio (en su mayoría AI-Si-Cu y AI-Si-Mg) y
3% otros materiales tales como Mg-AI. Las
fundiciones
de
aluminio
representan
aproximadamente el 20% del suministro mundial
anual de aleaciones de aluminio, con aplicaciones
tan sencillas como utensilios de cocina, y de
alimentos de consumo diario y jardinería, hasta una
amplia variedad de aplicaciones que demandan gran
desempeño, como es el caso de aplicaciones
aeronáuticas y aeroespaciales, marinas, motores
eléctricos, bombas y compresores, entre otras. El
sector transporte hace uso de un 60-75% de todas
esas fundiciones. En el sector automotriz, las
aleaciones más relevantes comercialmente se
presentan en el diagrama Cu-Si de la Figura 6. Se
pueden mencionar la aleación 356 de amplio uso
en ruedas, rines y otros componentes, la 332 para
pistones, la 390 para bloques de motor y pistones,
la 319 para bloques de motor, la 380 para carcazas
diversas y la 208 para válvulas. Todas estas
aleaciones se caracterizan por su excelente
colabllidad, con la excepción de la aleación 208. Por
otro lado, de las aleaciones binarias Al-Si, la
eutéctica 413 es la más empleada para una amplia
variedad de usos que incluyen arquitectura, marinas,
ornamentos, en equipos para alimentos de la dieta
diaria, equipo dental y pistones en motores fuera de
borda , entre otros. También son atractivas
aleaciones como la 514, 518, 520 y 535 para
aplicaciones que incluyen piezas de trenes ,
arquitectura, ornamentos, instrumentos y partes que
requieren estabilidad dimensional.
La Figura 7 muestra las perspectivas de
crecimiento en el uso de aluminio en el sector
automotriz entre 1995 y 2005 [15]. Es notable un
aumento desde 65 hasta 11 Okg/vehículo. El aumento
es más notable en ruedas y chasis (de 17 a 30 kg/
vehículo) así como en el cuerpo (de 9 a 35 kglvehículo)
y en el interior (de 2 a 5 kg/vehículo). En el caso del
cuerpo, tal aumento se espera sea producto de un
uso mayor de láminas y peñiles extruídos de las
aleaciones indicadas anteriormente. No obstante, se
plantean los siguientes retos
(i)
Competencia con aceros, hierro colado y
plásticos
Calidad consistente a niveles de partes por
(ii)
billón.
(iii) Relación estable con productores de vehículos.
(iv) Manejo eficiente de la trazabilidad de todos los
productos suministrados en cada una de sus
etapas de manufactura. Esto parece una
consecuencia lógica de apegarse a sistemas
de aseguramiento de calidad como ISO 9000.
(v)
Habilidad de la industria del aluminio para
mantener precios predecibles en el tiempo y a
niveles competitivos con materiales sustitutos.
17
37
1995. 65 Kg/vehículo
35
5
30
40
2005. 110 Kg/vehículo
O Interior Dcuerpo rB Ruedas y chasis •
MotorfTren potencia
Fig. 7. Consumo de a/ummto en aplicaciones automotnces.
Tendenctas del mercado 1995-2005 [1 5]
••n i!HI•A•. CII!.CIA 1 Il!c•etMjA. Año J. Número 4. Diciembre 1997. - - -- - - - - --
- - - - - - - - - - - - - - -- Onetti, P., El Aluminio y sus aleaciones en la Era de los Matoillles Avan:,aáos
3.5 TRANSPORTE (M~RINA Y AEROESPACIAL).·
En aplicaciones mannas, un sector muy atract1vo,
existe una intensa competencia con aceros
inoxidables, polímeros y compuestos. las aleaciones
tales como la 5151A, 5454 y 6061 son importantes
para la manufactura de superestructuras para la
industria petrolera y embarcaciones. En el sector de
aeronáutica y aeroespacial, tanto militar como c1vil,
se ha proyectado una tendencia al reemplazo
paulatino de aleaciones de alum1n1o establecidas como
las de las series 2XXX y ?XXX, en favor de compuestos
de matriz polímero reforzados con fibras de carbón y
aleaciones Al-li. Estas aleac1ones son atractivas, ya
que por cada 1% de li disuelto en la red del Al, la
densidad de la aleación se reduce en 3%, mientras
que el módulo de Young se mcrementa en 6%, dando
un potencial para reducción significativa de peso y,
por ende, de consumo de combustible (3]. Aleaciones
tales como 2090, 2091 , 2094, 2095, 2195, X2096,
2097, 2197, 5091 y 8090 han sido desarrolladas (16]
y aplicadas tanto en aviones comerciales como de
combate [17]. No obstante, el incremento en el uso
tanto de aleaciones AI-U como de compuestos, ha sido
a expensas de las tradicionales aleaciones 2XXX y
?XXX.
3.6 CONSTRUCCION Y EDIFICACIÓN.- Este
segmento ha evolucionado con muchos altibajos en
los últ1mos años debido a la constante competencia
con madera, plásticos y, en algunas aplicaciones, con
aceros estructurales las aleaciones fundamentales
son·
(i)
2014A, 3003, 3004, 5254, 5652, 5456, 5083,
6061 , 6063, 6082 para estructuras como
puentes, edifictos, tanques de almacenamiento,
recipientes a presión, etc.
(ii)
3103, 3105, 5251 para techos y paredes
(iii) 3105 para otros bienes expuestos a agua de
llUVIa
(iv) 6063 y 6082 para uso arqUitectónico
las presiones ambientales por preservar las
reservas forestales deberían favorecer el uso de
alum1n1o. En cuanto a plásticos, la rec1clabilidad puede
ser una desventaja dependiendo de la estrategia de
recuperación, aunque la producción de los m1smos
con acabados que simulan metales o madera les dan
gran aceptación en los consumidores.
3. 7 INGENIERIA MECÁNICA.- Este segmento
Involucra aleac1ones para estructuras tanto soldadas
(5154A) como tensadas (2014A, 5083, 6061 , 6082),
así como remaches (1050A, 2014A, 5056, 5754A),
pernos y tornillos (2014A, 5056A6061 , 6082). Así
mismo, se incluye la aleación AI-Sn (tanto 850 como
8081 ), empleada para fabncar coj1netes con respaldo
de acero para maqumanas con tendencias a
reemplazar el Sn por el más barato Pb. Por supuesto,
este sector también involucra piezas empleadas en
instrumentos y maqUinaria en general
3.8 INGENIERIA ELECTRICA.- El cobre es dúctil,
tiene buena resistencia a la corros1ón y buena
conductividad eléctrica (ubicado segundo, despues de
la plata). Aunque el sector de edificación es importante
para aleac1ones de cobre, el fundamental es el
relacionado con aplicaciones eléctricas. Aunque el
cobre t1ene una conductividad eléctnca un 60% mayor
que la del aluminio, y también mejor resistencia a
creep, el aluminio tiene una densidad menor en un
tercio a la del cobre, más alta res1stenc1a específica y
es más barato por tonelada. De hecho, los grados de
conductores eléctricos de alum1n10 y sus aleac1ones
conducen más de dos veces más electricidad que un
peso equivalente de cobre. Como consecuencia, el
aluminio es el metal más barato con una conductividad
eléctrica lo suficientemente alta para uso como
conductor aléctnco, Situación difícil de cambiar en el
futuro.
El aluminio ha desplazado al cobre en líneas de
transmisión de alto voltaje, aunque requiere ser
reforzado con un núcleo de acero de alta res1stenc1a
recub1erto con alum1n10 o con acero galvanizado, para
asegurar una resistencia mecánica adecuada del
ensamble conductor-núcleo. Es también ampliamente
usado en cables de potencia aislados, especialmente
en sistemas de transporte bajo tierra, ofreciendo una
más fácil manufactura y economía en el uso de
aislamiento. No obstante, en aplicaciones como
cableado para motores y generadores eléctricos,
cables de comunicación o suministro de potencia a
edificaciones, el crec1m1ento ha s1do lento debido a
que los requerim ientos de res1stenc1a mecánica y
ductilidad son más ex1gentes.
las aleaciones tradicionales incluyen 1100, 1350,
5005-H19 y 6201-T81 . Sin embargo, la neces1dad de
obtener una conductividad eléctnca superior a 60%
IACS (% lntemat1onal Annealed Copper Standard) así
como mejores propiedades mecánicas, ha conducido
al desarrollo de aleaciones tales como Triple E, Super
T, 8076, Stabiloy, N1co y X8130, basadas en adic1ones
de Fe, Ni y Mg a los grados de pureza comercial.
la demanda de cobre ha caído de manera
consistente en los últ1mos años y no se han observado
s1gnos de recuperación, por lo cual se espera que el
alum1nio pueda segUir ganando participación. En los
últimos seis años, la demanda de aleaciones de
aluminio en el sector eléctrico ha venido crec1endo a
razón de 3% anual. Por supuesto, el crecimiento de la
demanda energética mundial, pronosticado para los
próximos años, aunado al propio crecimiento de la
industrta del aluminio, como resultado del
crecimiento de la economía mundial, permiten indicar
buenos prospectos para este segmento.
dicha curva se traslada al consumo mundial (curva
continua superior) , la ecuac1ón (2) tamb1én es
adecuada para ajustar la demanda. Por lo tanto, el
consumo de aluminio crece exponencialmente, tal
como muchos materiales. Entonces, la extrapolación
de la curva superior hasta el año 2002 perm1te hacer
el pronóstico de un incremento en el consumo mundial
de aluminio por encima de 2 m1llones de t en los
próximos cinco años. De este incremento, se esperaría
que la demanda en fundiciones aumente en unas
400.000 t/año, mientras que en productos extruídos
no menos de 500.000 t/año (unas 315.000 t/at'lo para
ctltndros de extrus1ón de aleactón 6063), si la tendencia
creciente en estos segmentos se mantiene. Es
Importante notar que la capacidad nom1nal Instalada
de los reductores de aluminio en todo el mundo es de
4. FUTURO DEL ALUMINIO
El pronóstico de la demanda mundial de aluminio
se puede hacer considerando el corto y el largo
plazo. La F1gura 8 muestra el balance suministroconsumo de aluminio hasta 1998 tanto en occidente
como en el mundo [6] Los datos de occidente fueron
utilizados para hacer un pronóstico de lo esperado
hasta el año 2002 , asumiendo un crecimiento
exponencial del consumo, es decir (1)
dC
r
-=-C
dt 100
Consumo
Occidente
•
Suministro
Occidente
-.
Consumo
Mundial
•
Suministro
Mundial
Crecimiento
r ... poncncial
-
N
~
~
~
X
e
X
~
X
~
~
X
~
~
X
~
~
X
~
X
X
~
~
:
-
~
~
~
X
~
~
N
~
~
~
~
~
~
~
(2)
donde C0 es la tasa de consumo para un tiempo
t0 • Puede observarse en la Figura 8 que la
ecuación (2) describe razonablemente bien los datos
para occidente (curva continua inferior). Cuando
=
~
~
~
~
~
~
~
X
~
~
~
~
~
~
~
O
-
N
===
O
O
O
N N N
Fig. 8. Balanct! prod11CC1ón-coru11mo luuta /998 [6/, mc/11\'t'ndo 11n pronówco hasta t!l m1o 2002
basado en 11n crecmuento exponencwl dt!l coru11mo de al11mm1o
donde
es la variación de consumo en t /año,
mientras que r es la variación fracciona! de
crecimiento en% anual. Integrando la ecuación (1)
se tiene.
t
~
aproximadamente 23.1 millones de t/año desde
pnncipios de 1996. Esto permite concluir, tomando en
cuenta que no todas las reductoras están operando a
su capacidad nominal, que para 1998 se estaría
agotando la capacidad de suministro mundial, razón
por la cual se esperan nuevas inversiones para la
producción de aluminio primario. El pronóstico indica
que para el año 2002 el suministro mundial alcanzaría
24 .3 millones de t/año, lo cual implica
aproximadamente niveles de aluminio primario en el
orden de los 22 millones de t/año
- - - - - - - - - - - - -- - - Orsetti, P., El Aluminio y sus aleaciolteS en la Era tk los Materiales AvtJIJZIUlos
El largo plazo es más fácil de pronosticar. La Figura
9 muestra el consumo anual de aluminio per cápita en
kg en varios países o regiones del mundo. En el tope
de la lista se encuentran USA y Japón con 30 y 29 kg,
respectivamente. Europa occidental presenta un
consumo más modesto de 17 kg (Reino Unido con 1 O
kg) y le siguen Rusia con 4.5, China con 2 e India con
0.5. Si tan sólo China se ubica en niveles compatibles
con los tres primeros consumidores, habría una
demanda entre 18 y 33.6 millones de Uaño adicionales,
un incremento de casi el 100% como mínimo. Esto es
factible debido al acelerado crecimiento económico
que ha estado experimentando China en los últimos
años (en el orden de 6% anual), tendencia que se
espera se mantenga. Rusia pudiera dPrnandar entre
1 9 y 3.8 millones de Uaño adicionales, mientras que
India estaría entre 13.6 y 24 millones de Uaño, pero
este último caso no se muestra en los momentos con
buenas perspectivas.
USA (30)
JAPON
(29)
INDIA (0.5)
RUSIA (4.5)
ClllNA (2)
Entonces, mientras más alta es la cant1dad de
aluminio secundario en el total, menor es la cant1dad
de energía requerida para producción de semiproductos. Para cerrar el ciclo de vida de materiales
de ingeniería, es necesario establecer una estrategia
de reciclaje [18]. Se puede reciclar el producto o el
material, empleando estrategias como re-uso (utilizar
el producto o el material en la aplicación o en el
proceso de manufactura original, respectivamente) o
uso/aplicación alternativa (utilizar el producto o el
material en una aplicación o en un proceso de
manufactura diferente al original, respectivamente).
Una de las ventajas del aluminio es que su chatarra,
bien sea de proceso o externa, esta última mas
comúnmente conocida como aluminio secundario, se
puede emplear con adecuada dilución para la
producción de las aleaciones destinadas a
aplicaciones exigentes. Por ejemplo, en Japón se ha
demostrado que muchos productos se pueden hacer
empleando 50% chatarra - 50% primario. La mayoría
de la fundiciones de aluminio se pueden fabncar con
100% chatarra. "Stock" para latas de beb1das se
fabrican con contenidos de chatarra que van desde
50 hasta 70%, mientras que ciertas aleaciones para
aplicaciones aeroespaciales se han fabricado hasta
con 90% de chatarra. Las extrusiones y láminas
generalmente tienen un contenido alto de chatarra, al
menos de la chatarra de proceso.
111. CONCLUSIONES
EUROPA (17)
F1g 9 Consumo anual per cáp1ta (kg/ ai'lo-habitante) de alumm1o
en vanas reglones del mundo
Es importante mencionar que las economías de los
países industrializados están en franca recuperación
y el necesario desarrollo de los mercados de Europa
Oriental y de América Latina contribuiría a un
incremento de la demanda, con un crecimiento de la
economía mundial de alrededor de 4% para los
próximos años. No obstante, la competencia cada vez
más intensa con otros materiales, la estabilidad en el
precio y la proporción en que el crecimiento permita
aumentar el poder adquisitivo de sus habitantes
(China, Europa Oriental y América Latina) pueden
jugar un papel importante en tales proyecciones.
5. RECICLAJE
Es bien conocido que uno de los aspectos más
notables de la refusión de aluminio, es el ahorro de
energía; la operación de refusión de chatarra consume
aproximadamente 5% de la energía requerida para
extraer electrolíticamente el aluminio de su óxido.
1. El aluminio y sus aleaciones van a continuar
teniendo gran importancia en la era de los
maten ales avanzados, pero las aleaciones ferrosas
(acero y hierro colado) y los plásticos y compuestos
siempre serán una amenaza.
2. Las demandas de calidad van a ser cada vez más
exigentes, mientras que los procesos emergentes
para producción de aleaciones de aluminio ganarán
cierto espacio.
3. La demanda de alum1n1o se espera que crezca en
los próximos años de manera sostenida e
importante, fundamentalmente en los segmentos
contenedores-empaques y transporte, pero con
más lentitud en construcción-edificación, Ingeniería
eléctrica y mecánica.
4. La tendencia en aplicaciones aeronáuticas, tanto
civiles como militares, indica decrecimiento del
segmento en favor de materiales compuestos y
otras aleaciones metálicas.
5. En el largo plazo, el potencial de crecimiento de la
industria del aluminio es significativo, pero se
requiere no sólo de un crecimiento sostenido de la
economía mundial, sino también el aumento de
poder adquisitivo en regiones superpobladas, para
aumentar el consumo de aluminio per cápita a
niveles de los países industrializados.
6. Se espera una mayor actividad en reciclaje.
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