Aleaciones Metálicas No Ferrosas: Propiedades y Aplicaciones

Aleaciones Metálicas No Ferrosas

1. Aleaciones de Cobre

El cobre es un metal con una densidad relativamente alta de 8,9 g/cm³. Tiene una alta conductividad térmica y eléctrica, buena resistencia a la corrosión, maquinabilidad y facilidad de fabricación. En los usos para conductores eléctricos, el cobre de uso más común es el electrolítico (99,9% de pureza), llamado así debido a que se obtiene de un proceso de refinación denominado refinación electrolítica. El cobre además es no magnético, tiene un color atractivo, puede ser fácilmente soldado con soldaduras blandas como latón y estaño y, finalmente, puede recibir un revestimiento metálico superficial (galvanizado) o ser pintado.

En la actualidad, se han realizado estudios que han demostrado la cualidad bactericida y antiséptica del cobre, lo que abre a este metal nuevos usos además de los ya reconocidos como conductor eléctrico y en la fabricación de cañerías.

El cobre electrolítico posee de 0,02% a 0,05% de oxígeno en forma de óxido cuproso (Cu₂O) en una mezcla interdendrítica eutéctica. Al ser trabajado y recocido, esta mezcla se destruye. En algunas aplicaciones, el cobre se libera del oxígeno para poder trabajarlo en uniones más herméticas en combinación con el vidrio.

El cobre con bajos porcentajes de arsénico tiene una excelente resistencia a la corrosión en condiciones severas, lo cual lo hace útil para intercambiadores de calor y condensadores. El cobre con adición de telurio presenta una mejora en la maquinabilidad, lo que permite crear pernos, tornillos, puntas de soldar, contactos y equipos eléctricos de precisión. El cobre con porcentajes de plata de 7 a 30 oz/ton eleva la temperatura de recristalización del cobre, lo cual evita el ablandamiento al ser soldado. Se usa en motores para avión y ferrocarril.

La mayoría de las aleaciones de cobre generan fases únicas que no permiten tratamientos térmicos como el temple. Por lo general, el incremento de la resistencia mecánica viene dada por un trabajado en frío del material.

Las aleaciones más típicas del cobre son las siguientes:

• Latones (aleaciones de cobre y zinc)
  • Latones alfa α que contienen hasta 36% de zinc: en los cuales están los latones amarillos (20 a 36% de zinc) y los latones rojos (5 a 20% de zinc).
  • Latones alfa más beta: con 54 a 62% de cobre.
• Bronces (hasta 12% de aleación)
  • Bronces al estaño.
  • Bronces al silicio.
  • Bronces al aluminio.
  • Bronces al berilio.
• Cuproníqueles o aleaciones de cobre y níquel.
• Platas-Níquel o aleaciones de cobre, níquel y zinc.

Los latones, en general, son esencialmente aleaciones de cobre y zinc con pequeñas cantidades de otros elementos como plomo, estaño o aluminio. Las variaciones de las composiciones darán las características de color, resistencia, ductilidad, maquinabilidad y resistencia a la corrosión deseadas.

Mientras el porcentaje de zinc varía en el orden del 35% o menos, este metal presenta una solubilidad completa en la fase alfa y el ordenamiento es el del cobre en estructura FCC. Al aumentar el porcentaje de zinc, aparece la fase beta, la cual es de estructura BCC. En general, la adición de elementos aleantes en el cobre aumenta la resistencia mecánica, disminuyendo la ductilidad. Con el zinc se logra aumentar la resistencia y también mantener la ductilidad, esto hasta un valor ideal de combinación de propiedades para un 70%Cu-30%Zn.

Los latones poseen una buena resistencia a la corrosión y su color varía desde rojos con alto contenido de cobre a más amarillos cuando el porcentaje de zinc aumenta. Los latones amarillos combinan una relativamente buena resistencia mecánica. Los latones amarillos pueden sufrir una corrosión en forma de cavidades en la superficie llamada dezincificación. Esta puede ocurrir en latones expuestos a agua de mar y aguas dulces con alto contenido de oxígeno y dióxido de carbono. Este fenómeno se evita agregando ciertos porcentajes de estaño o antimonio.

Entre los latones de uso común están el denominado latón para cartuchos y el latón amarillo propiamente tal. Se usan para municiones los primeros; elementos automotrices de radiador, cubiertas de lámparas, accesorios en cerrajería, llaves de cerradura y accesorios de plomería los segundos. A estos latones, ligeras adiciones de plomo les mejora la maquinabilidad. El denominado latón del almirante, que contiene un 71% Cu, 28% Zn y 1% Sn, se usa para fabricar tubos de intercambiadores de calor para plantas de vapor por su alta tolerancia a la corrosión a temperatura. En ocasiones, también se adiciona aluminio en vez de estaño, obteniendo una capa protectora a la corrosión.

Los latones rojos son los que poseen bajo porcentaje de zinc, de 5 a 20%. Entre estos se cuentan: el oropel (uso en monedas y medallas), el bronce comercial (uso en joyería de fantasía, estuches, ferretería marina y tornillos) y, finalmente, el latón rojo propiamente tal (uso en aparatos eléctricos y tubos de intercambio de calor).

Los latones alfa más beta son trabajados en caliente, debido a que la fase beta a temperatura ambiente es más frágil y dura que la alfa, pero a elevada temperatura se ablanda considerablemente. En estas aleaciones se destacan: el latón de arquitectura, latón naval y el latón forjable.

Los bronces antiguamente se asociaban a las aleaciones cobre-estaño, pero hoy en día el término bronce es genérico para aleaciones de cobre en que el zinc no es el elemento de aleación más importante y el elemento secundario de aleación después del cobre no supera el 12%.

Los bronces al estaño también son conocidos como bronces al fósforo al poseer este elemento desoxidante en la aleación. Presentan buena tenacidad, resistencia a la corrosión por fisuras y baja fricción. Se usan en arandelas de sujeción, seguros y bujes.

Los bronces al silicio son los más endurecibles por trabajado de las aleaciones de cobre, con resistencias similares a las del acero de medio y resistencia a la corrosión similar a la del cobre. Se pueden usar en recipientes a presión y conductos hidráulicos presurizados.

Los bronces al aluminio contienen entre 4 y 11% de aluminio. Presentan buenas propiedades de trabajado en frío y sus usos son en recipientes que resisten corrosión, tornillos y tuercas.

Los bronces al berilio sufren un proceso denominado endurecimiento por envejecimiento. Estas aleaciones se usan por su elevada resistencia a la corrosión, unido a resistencia mecánica y alta conductividad eléctrica.

Los cuproníqueles o aleaciones de cobre y níquel son empleados porque resisten la corrosión por agua de mar en alta velocidad. Se usan en intercambiadores de calor que trabajan con agua salada.

Las platas alemanas, aleaciones de cobre, níquel y zinc, son excelentes para la electrodeposición de cromo, níquel y plata. Los usos son para remaches, cierres de cremallera, joyería de fantasía y placas para grabar nombres.

2. Aleaciones de Aluminio

Las aleaciones de aluminio tienen como característica principal el ser ligeras, ya que la densidad del aluminio es de 2,7 g/cm³, que es aproximadamente un tercio de la del acero. Incluso se pueden obtener aleaciones de aluminio con una mejor relación resistencia/peso que los aceros. El aluminio a la vez resiste mejor la corrosión que el acero, tiene mejor maleabilidad, conformabilidad, alta conductividad eléctrica y térmica (mejor la térmica). El aluminio no es tóxico (se usa en contacto con alimentos), no es magnético y no produce chispas.

El aluminio puro puede resistir a la tensión unos 13000 psi, pero en aleaciones especiales puede llegar a tener una resistencia a la tensión de 100000 psi.

Las designaciones para el aluminio según la Aluminum Association son en series en donde:

• Serie 1xxx: Aluminio al 99% o más, principal elemento.
• Serie 2xxx: Aleación al cobre.
• Serie 3xxx: Aleación al manganeso.
• Serie 4xxx: Aleación al silicio.
• Serie 5xxx: Aleación al magnesio.
• Serie 6xxx: Aleación al magnesio y silicio.
• Serie 7xxx: Aleación al zinc.
• Serie 8xxx: Aleación con otro elemento.

Además, se emplean siglas en letras como la F, O, H, W y T para indicar el proceso de fabricación y endurecido si posee, ya sea que no posee, recocido y recristalizado, endurecido por deformación, endurecido por envejecimiento y por tratamiento térmico.

El aluminio casi puro se usa en aplicaciones que requieren muy alta ductilidad y conformabilidad, lo que permite obtener láminas tipo papel y su principal uso son en recipientes para alimentos, para bebidas y utensilios de cocina.

Las aleaciones serie 2xxx que más se usan en la industria son: las 2014, 2017 y 2024. La 2017 es la conocida como Duraluminio, usada en remaches para aviones. En general, las aleaciones aluminio-cobre que son envejecidas naturalmente presentan las mayores resistencias mecánicas de las aleaciones de aluminio, como el caso de la 2024, que tiene mayor contenido de magnesio, lo que la hace más difícil de fabricar.

Las aleaciones serie 3xxx, como el manganeso presenta limitada solubilidad en el aluminio, se fabrica poco. No se pueden endurecer normalmente por envejecimiento y la aleación 3003 se usa porque tiene facilidad de ser soldada, en utensilios, recipientes de alimentos y químicos, además de estanques varios para gasolina, aceite y otros.

Las aleaciones serie 4xxx son las que contienen silicio. Entre estas destaca, por ejemplo, la aleación 4032 con 12,5% Si, que puede ser forjada y adquirir resistencia, la cual se usa para fabricar pistones forjados de aluminio para automóviles. Es una aleación con una alta facilidad de ser fundida, por lo cual sirve para fabricar piezas fundidas complicadas.

Las aleaciones serie 5xxx con magnesio tienen usos, por ejemplo, la 5005 para piezas extruidas con fines arquitectónicos, 5050 para conductos de gas y aceite de automóvil, la 5052 para conductos de combustible y aceite de avión, la 5056 para rejillas de insectos, cubiertas de cable y remaches para estas aleaciones.

La serie 6xxx con silicio y magnesio se usan con fines aeronáuticos, en piezas fundidas para propósitos generales y piezas de máquinas herramientas.

La serie 7xxx son las aleaciones al zinc. En el caso de la 7178 (6,8%Zn, 2,7%Mg y 2%Cu), esta alcanza las más altas resistencias tensiles de las aleaciones de aluminio. En algunas de estas aleaciones, las adiciones de cromo crean aleaciones con las más altas resistencias a la corrosión.

3. Aleaciones de Magnesio

La principal ventaja del magnesio es su peso, es el metal de uso en aleaciones más ligero. Su densidad es de 1,7 g/cm³. Se usa porque es fácil de conformar y se obtienen buenas aleaciones con excelente relación resistencia/peso. En general, el principal uso es como elemento de aleación para otros metales.

Su uso puro no es muy común, esto debido a que el magnesio tiene mucha afinidad con el oxígeno. Se usa en ocasiones como agente desoxidante en la fabricación de aleaciones o para construir ánodos de sacrificio para proteger estructuras de la corrosión.

Este metal aleado con aluminio es muy usado en estructuras aeronáuticas, llantas de automóvil de alto valor y construcción de misiles y estructuras en que el peso ligero es esencial.

4. Aleaciones de Níquel

El níquel es un metal reconocido por su resistencia a la corrosión, es blanco y tiene facilidad de conformado. Genera aleaciones altamente resistentes, en que la solución sólida del níquel con otros metales no ferrosos da origen a aleaciones altamente tenaces con buena ductibilidad. La mayoría del níquel, aproximadamente en un 60%, se usa en los aceros inoxidables y aceros aleados.

5. Aleaciones de Plomo y Estaño

El plomo es denso (11,34 g/cm³) pero suave y fácil de trabajar. Se usa en contrapesos, aislación de radiación, en algunos detonadores de explosivos plásticos y en algunas aplicaciones eléctricas como recubrimientos dúctiles de conductores y en baterías. Suaviza en general las aleaciones y tiene buena facilidad de lubricación. Se usa también en vidrios de gran calidad decorativa, a los que se les llama cristales al plomo, y en algunas cerámicas.

El estaño se usa como recubrimiento del acero, por ejemplo, en las latas de conserva. Se usa en aleación con el cobre y otros metales y, finalmente, junto con el plomo se utiliza para fabricar soldaduras blandas de bajo punto de fusión.

La aleación llamada peltre se podría decir que es el inverso del bronce. Está formada por estaño principalmente, con un bajo porcentaje de cobre y a veces trazas de plomo y antimonio. De esta forma, es un metal de bajo punto de fusión (por el estaño), con buena resistencia (por el cobre), muy resistente a la corrosión, con características ideales para uso ornamental, en vajillas, bandejas, fuentes, etc., siendo un reemplazo en estos usos para la plata, que es mucho más costosa.

6. Aleaciones de Titanio

La producción de titanio comenzó recientemente en 1938 en los Estados Unidos. Enseguida despertó intereses en el ámbito militar por su punto de fusión elevado de 1668ºC con una densidad de 4,51 g/cm³, lo cual lo convierte en un metal relativamente ligero que soporta altas temperaturas. Tiene estructura HC llamada alfa y a los 882ºC se convierte en BCC llamada beta. Los elementos aleantes se usan para estabilizar algunas de estas fases para alguna aplicación específica.

Las aleaciones alfa se usan en ensambles de tubos de escape de avión, piezas de láminas y tanques para combustible de proyectiles. Las aleaciones alfa-beta son tratables térmicamente y endurecibles por envejecimiento. Se usan en piezas de hélices de compresor de turbina y láminas de estructuras de avión. Las aleaciones beta se usan en componentes aeronáuticos sometidos a temperaturas moderadas.

En general, las aleaciones de titanio tienen uso en la industria aeroespacial para construir turbinas de avión. También se usa hoy en día en implantes óseos y dentales.

7. Aleaciones de Zinc

El zinc como metal tiene una alta propiedad anódica. Se usa principalmente para recubrir el acero (zincado o galvanizado), también para fabricar ánodos de sacrificio que protegen una estructura más importante. Esto es decir, el zinc se corroe en vez del acero o el metal a proteger. Se usa en aleaciones con aluminio y otros metales. El óxido de zinc tiene gran uso en muchas industrias tales como la química, farmacéutica y de pinturas.

8. Metales Preciosos o Nobles

Los metales nobles son los que son escasos, costosos y poseen una propiedad de inalterabilidad en el tiempo al ser expuestos a ambientes agresivos. Entre estos metales se cuentan: el oro, la plata, el platino, el iridio, el rodio, el paladio, el rutenio y el osmio.

La plata se usa, por ejemplo, en láminas delgadas en espejos, en soldaduras de dureza y resistencia promedio (soldaduras de plata) que se usan en cañerías con alta resistencia a la presión. Su uso más típico es en joyería, en algunas monedas y para algunas superficies antibacterianas.

El oro se usa principalmente en joyería, como monedas, medio de almacenamiento de valores. Se utiliza debido a su alta conductividad eléctrica para fabricar conductores eléctricos y componentes de circuitos electrónicos.

El platino tiene alto punto de fusión, ductilidad y resistencia a la corrosión. Se usa en termopares, contactos eléctricos, utensilios dentales, equipo resistente a la corrosión, electrodos de bujía, joyería y como catalizador para reacciones químicas como en los convertidores catalíticos de automóviles.

9. Metales Refractarios

Son los metales que poseen un alto punto de fusión, esto normalmente va unido de un alto módulo elástico y elevada dureza. En este grupo de metales se cuentan: el niobio, el molibdeno, el tántalo y el tungsteno. El rango de temperaturas de fusión va de 2468ºC para el niobio a 3410ºC para el tungsteno.

Se usan para endurecer aleaciones en general, como en el caso del acero, formando carburos. En general, en estado puro son difíciles de conformar por su alta dureza y punto de fusión, lo cual generalmente lleva a realizar un proceso de sinterizado.

Se pueden fabricar filamentos de ampolleta y herramientas de corte y desbaste para máquinas herramientas (en este ítem resalta el carburo de tungsteno en una base de cobalto), también en algunos blindajes de tanques.