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Caracter�sticas del proceso de conformado en l�minas de aluminio de la serie 6000

 

Characteristics of the 6000 Series Aluminum Sheet Forming Process

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Caracter�sticas do processo de forma��o de folha de alum�nio da s�rie 6000

 

 

Jorge Lu�s Lema-Loja ^I

jorgelema@uti.edu.ec

https://orcid.org/0000-0002-1515-4526

 

Pedro Andr�s Moreno-Zulca ^II

pmoreno@istct.edu.ec

https://orcid.org/0000-0001-7623-7117

 

Juan Enrique Tacoronte-Morales ^III

antonio.llanes@uisek.edu.ec

https://orcid.org/0000-0001-6739-7661

 

 

Correspondencia: jorgelema@uti.edu.ec

 

 

Ciencias t�cnicas y aplicadas

Art�culo de investigaci�n

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*Recibido: 05 de julio de 2020 *Aceptado: 20 de agosto 2020 * Publicado: 01 de septiembre de 2020

 

1. Mag�ster en Sistemas Automotrices Msc, Ingeniero en Mec�nica Automotriz, Universidad Tecnol�gica Indoam�rica, Ambato, Ecuador.
2. Mag�ster en Dise�o Mec�nico Menci�n en Fabricaci�n de Autopartes de Veh�culos, Ingeniero Automotriz, Universidad internacional SEK, Instituto Superior Tecnol�gico Central T�cnico, Quito, Ecuador.
3. Doctor en Ciencias Qu�micas, Universidad internacional SEK, Ecuador.

Resumen

El aluminio se ha convertido en uno de los principales materiales utilizados a nivel industrial y es �reas arquitect�nicas, debido a su gran versatilidad, bajo peso, gran maleabilidad y conformabilidad, resistencia a la corrosi�n y alta conductividad el�ctrica. Existen una diversidad de aleaciones de aluminio, donde la serie 6000 destaca por su gran utilidad en los procesos de conformaci�n met�lica, en especial la extrusi�n. La influencia de sus propiedades metal�rgica es bastantes significativa en la modificaci�n en las propiedades mec�nicas y esto es debido a la precipitaci�n del compuesto Mg2Si. Por lo cual, el objetivo general de la investigaci�n es analizar las caracter�sticas de los procesos de conformado en l�minas de aluminio de la serie 6000. La metodolog�a empleada se basa en investigaciones de tipo documental y bibliogr�fica. Los resultados se basaron en los an�lisis de los tipos de procesos de conformado y las caracter�sticas de la aleaci�n 6000 dentro de estos procesos. Como conclusi�n se obtuvo que el Mg2Si, sumado a otros, permiten modificar las propiedades mec�nicas del aluminio, como el 6061, 6063 o 6082, las cuales juegan un papel importante dentro de los procesos de conformado, debido a que ayuda a la deformabilidad de caracter�stica estable dentro de la matriz obteniendo productos, utilizados mayormente en el �rea automotriz, de gran variedad sin importar el dise�o y dimensiones y con gran resistencia mec�nica y a la corrosi�n.

Palabras Claves: aluminio; elementos aleantes; compuesto; conformado.

 

Abstract

Aluminum has become one of the main materials used at an industrial level and in architectural areas, due to its great versatility, low weight, great malleability and formability, resistance to corrosion and high electrical conductivity. There are a variety of aluminum alloys, where the 6000 series stands out for its great utility in metal forming processes, especially extrusion. The influence of its metallurgical properties is quite significant in the modification of the mechanical properties and this is due to the precipitation of the Mg2Si compound. Therefore, the general objective of the research is to analyze the characteristics of the 6000 series aluminum sheet forming processes. The methodology used is based on documentary and bibliographic research. The results were based on the analysis of the types of forming processes and the characteristics of Alloy 6000 within these processes. As a conclusion, it was obtained that Mg2Si, added to others, allow modifying the mechanical properties of aluminum, such as 6061, 6063 or 6082, which play an important role within the forming processes, because it helps the deformability of characteristic stable within the matrix obtaining products, used mainly in the automotive area, of great variety regardless of design and dimensions and with great mechanical and corrosion resistance.

Keywords: aluminum; alloying elements; compound; conformed.

 

Resumo

O alum�nio tornou-se um dos principais materiais utilizados a n�vel industrial e em �reas arquitet�nicas, devido � sua grande versatilidade, baixo peso, grande maleabilidade e conformabilidade, resist�ncia � corros�o e alta condutividade el�trica. Existem diversas ligas de alum�nio, onde a s�rie 6000 se destaca pela grande utilidade nos processos de conforma��o de metais, principalmente extrus�o. A influ�ncia de suas propriedades metal�rgicas � bastante significativa na modifica��o das propriedades mec�nicas e isso se deve � precipita��o do composto Mg2Si. Portanto, o objetivo geral da pesquisa � analisar as caracter�sticas dos processos de conforma��o de chapas de alum�nio da s�rie 6000. A metodologia utilizada � baseada em pesquisa documental e bibliogr�fica. Os resultados foram baseados na an�lise dos tipos de processos de conforma��o e nas caracter�sticas do Alloy 6000 dentro desses processos. Como conclus�o, obteve-se que o Mg2Si, somado a outros, permite modificar as propriedades mec�nicas do alum�nio, como 6061, 6063 ou 6082, que desempenham um papel importante dentro dos processos de conforma��o, pois auxiliam na deformabilidade das caracter�sticas Est�veis ​​dentro da matriz obtendo produtos, utilizados principalmente na �rea automotiva, de grande variedade independente de design e dimens�es e com grande resist�ncia mec�nica e � corros�o.

Palavras-chave: alum�nio; elementos de liga; composto; conformado.

 

Introducci�n

Una de los materiales m�s utilizados en los diversos procesos industriales es el aluminio y debido a su gran versatilidad y bajo peso a diferencia del acero u otros materiales. Su aparici�n ha permitido un gran auge en el desarrollo de nuevas t�cnicas, procesos y aplicaciones. Es por ello, que resulta necesario poder comprender su proceso de extracci�n del mineral y la transformaci�n en uno de los materiales m�s utilizados en la actualidad.

El proceso de extracci�n ocurre cuando se obtiene la bauxita de los yacimientos de aluminio. De aqu� proviene la al�mina (Al2O3). El proceso se describe en la Figura 1.

Primero se obtiene la al�mina quitando las impurezas y el agua por medio de una mezcla con una soluci�n de sosa c�ustica a 240 �C seguido de una calcinaci�n a 1200 0 C. Segundo, se obtiene el aluminio a partir de la al�mina e impurezas, llev�ndose a cabo por electr�lisis, disolviendo la al�mina en una criolita fundida (Na2AIF6), siendo las proporciones de 80 a 90 % de la criolita y alrededor de un 8 % de al�mina y algunos aditivos. Para esto se usan �nodos de grafito y c�todos de aluminio en donde se deposita el mismo metal. Este procedimiento es conocido como el Proceso Hall - Heroult. Son necesarias de 3.5 a 4 toneladas de bauxita para la obtenci�n de 1.5 toneladas de aluminio. (Cavazos Garcia, 1998, p�gs. 7-8)

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Figura 1. Proceso de producci�n del aluminio.

Fuente: (TALAT, 1994)

 

Despu�s de este proceso, el aluminio se transforma en uno de los materiales m�s importantes debido a sus propiedades. Tiene una densidad de solo 2.7 g/cm3, aproximadamente un tercio del acero (7.83 g/cm3), el cobre (8.93 g/cm3), o el bronce (8.53 g/cm3), donde muestra una excelente resistencia a la corrosi�n en la mayor�a de los entornos y sistemas qu�micos (ASM-Volumen2, 1990). Aunado a esto, el aluminio tiene buena maleabilidad y formabilidad, y alta conductividad el�ctrica y t�rmica (Avner, 1988). En la Figura 2 se detalla las propiedades del aluminio a trav�s de caracter�sticas el�ctricas, conductividad t�rmica y la corrosi�n por picaduras.

Las propiedades mec�nicas se pueden determinar a trav�s del comportamiento a esfuerzos de tracci�n. El aluminio puro tiene una resistencia tensil de unas 13000lb/pulg2; sin embargo, grandes incrementos en residencia se obtienen mediante el trabajado en fr�o o por aleaci�n (Avner, 1988). Esto ultimo es debido al endurecimiento por deformaci�n caracter�stico de los materiales trabajados. Al variar la composici�n qu�mica del aluminio, varia las propiedades mec�nicas debido a la presencia de �tomos de soluto. Esto se puede observar a trav�s de la Tabla 1.

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Figura 2. (A) Conductividad el�ctrica, (B) conductividad t�rmica y (C) corrosi�n mostrando la p�rdida del esfuerzo de tensi�n y la profundidad de la picadura en presencia de ambientes marinos o industriales.

Fuente: (TALAT, 1994)

 

Tabla 1.� Propiedades mec�nicas del aluminio puro a temperatura ambiente.

Fuente: (Avner, 1988)

 

La versatilidad del aluminio tambi�n se diferencia a trav�s de la diversidad en su composici�n qu�mica. La clasificaci�n fue realizada por The Aluminum Association en 1954. Esta consta de una numeraci�n de cuatro d�gitos, el cual se muestra en la Tabla 2. El primero indica el grupo de aleaci�n, el segundo se�ala el cambio de la aleaci�n original o l�mites de impureza; el cero se utiliza para la aleaci�n original, y los enteros del 1 al 9 indican modificaciones de la aleaci�n (Avner, 1988).

 

Tabla 2. Designaci�n para los grupos de aleaci�n del aluminio.

Fuente: (Avner, 1988)

 

Despu�s de esta agrupaci�n, se produce una clasificaci�n a trav�s de la designaci�n de temple la cual asigna una letra delante del numero de serie.� Existen 4 temples b�sicos: F, condici�n de fabricado; O, recocido; H, endurecido por deformaci�n y T, tratado t�rmicamente (Avner, 1988). En la Tabla 3 se describen cada uno de los grupos de designaci�n de temple que tiene el aluminio.

 

Tabla 3. Descripci�n de los grupos de designaci�n de temple que tiene el aluminio.

Fuente: (Avner, 1988)

Estas aleaciones de aluminio pueden deformarse en innumerables aplicaciones a nivel industrial. Tiene la capacidad de fundirse mediante cualquier m�todo conocido, laminado a cualquier espesor deseado, estampado, estirado, enrolado, forjado y extruido a cualquier temperatura imaginable (Avner, 1988).

Por otra parte, una de las series de aluminio m�s utilizadas para los procesos de conformado, y en especial la extrusi�n, es la serie 6000. El resultado es un conjunto de materiales que var�an en fuerza de 150MPas a 350MPas, todos con buena dureza y formabilidad (ASM-Volumen2, 1990).

Por lo tanto, el objetivo general de la investigaci�n es analizar las caracter�sticas de los procesos de conformado en l�minas de aluminio de la serie 6000. La metodolog�a empleada se basa en investigaciones de tipo documental y bibliogr�fica.

 

M�todo

La metodolog�a utilizada es de tipo investigaci�n documental y bibliogr�fica apoyada por la utilizaci�n de instrumentos como textos, normas internacionales, revistas cient�ficas y documentos web. La aplicaci�n metodol�gica esta basada a trav�s del desarrollo de los objetivos espec�ficos tales como conceptualizar la importancia del aluminio dentro de las sociedades, identificar la utilidad del aluminio a nivel industrial, describir los tipos de procesos de conformado utilizados a nivel industrial y establecer el comportamiento de las aleaciones de aluminio serie 6000 dentro de los procesos de conformado de l�minas met�licas.

 

Resultados

Tipos de procesos de conformado

Existen diversos procesos de conformados los cuales est�n regidos por las caracter�sticas y propiedades de los materiales que modificaran. Una de ellas es la capacidad para la deformaci�n pl�stica. Estas condiciones entrelazadas con las propiedades metal�rgicas como composici�n qu�mica, tipos de fases presentes y morfolog�a de las fases. Tanto las propiedades metal�rgicas como mec�nicas se completan y dan como resultados las diferentes formas de piezas met�licas, en especial aquellas de aleaci�n de aluminio.

Los materiales met�licos tienen la ventaja, a diferencia de otros, de poder amoldarse a las presiones y sistemas que le ejercen, produciendo una calidad superficial y resistencia a la deformaci�n aceptable en diversos ambientes de trabajo. La deformaci�n resulta del uso de una herramienta para deformar metales, el cual aplica esfuerzos que exceden la resistencia a la fluencia del metal (Groover, 1997).

Dentro de los procesos de conformado existe una clasificaci�n bajado en la forma de la aplicaci�n de la presi�n. Pueden estar sometidos a esfuerzos de compresi�n tracci�n, cizallamiento y flexi�n o plegado. En los procesos de compresi�n la fuerza se aplica a la superficie de la pieza y el metal fluye en la direcci�n de compresi�n, y en los procesos de tracci�n el metal se adapta al contorno de una matriz por aplicaci�n de fuerzas de tracci�n (Dieter, 1987).

De la misma forma, el proceso de plegado supone la aplicaci�n de momentos de flexi�n a la chapa; y el proceso de cizallamiento implica fuerzas cizallantes lo suficientemente grandes para provocar el corte del metal en el plano de cizalla (Dieter, 1987). Estos procesos se pueden observar a trav�s de la Figura 3.

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Figura 2. Operaciones t�picas de conformaci�n. Fuente: (Dieter, 1987)

Una de las condiciones que puedan afectar el desempe�o del material dentro de las herramientas y equipos de conformados es la temperatura en la cual se esta realizando el trabajo. Se toma en consideraci�n dos aspectos claves, el trabajo en fr�o (a temperatura ambiente) y trabajo en caliente. El trabajo en caliente implica la deformaci�n a temperaturas por encima de la temperatura de recristalizaci�n, la cual es aproximadamente la mitad de su punto de fusi�n en la escala absoluta (Groover, 1997).

Otros de los factores es la velocidad de deformaci�n y la fricci�n. La primera depende de la forma geom�trica de la pieza, as� como tambi�n existe una relaci�n inversamente proporcional entre el aumento de temperatura y el aumento de la velocidad de deformaci�n (Dieter, 1987). La fricci�n en el formado de metales surge debido al estrecho contacto entre las superficies de la herramienta y el material de trabajo, y a las altas presiones que soportan a la superficie en estas operaciones (Groover, 1997).

Estas caracter�sticas permiten poder determinar la importancia de cada uno de los procesos de conformado que se utilizan para el desarrollo de los metales en la fabricaci�n de productos �tiles a la industria y sociedad. En la Tabla 4 se describe los principales procesos de conformado de metales las cuales destacan las caracter�sticas y variables del proceso.

 

Caracter�sticas de la serie 6000 utilizados en procesos de conformado

Las aleaciones de aluminio son altamente deformables por lo que se pueden utilizar cualquier proceso de conformado para poder establecer un producto en el mercado y a nivel industrial. Una de las aleaciones m�s importantes dentro de las diversas encontradas en el aluminio es la serie 6000.

Estas aleaciones son utilizadas para procesos de conformado, en especial los procesos de extrusi�n. La facilidad con la que las aleaciones de aluminio se pueden extruir a formas complejas debido a la flexibilidad permite que el dise�o pueda variar en grandes proporciones por lo que contrarresta el alto costo del mismo (TALAT 1302, 1994). En la Figura 3 se visualiza algunos de los productos de aluminio de la serie 6000 realizados por extrusi�n.

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Tabla 4. Principales procesos de conformado de metales.

Fuente: (Dieter, 1987; Groover, 1997; Kalpakjian, 2002)

 

Figura 3. Productos de extrusi�n de aluminio.

Fuente: (TALAT 1302, 1994)

 

Dentro de las aleaciones de aluminio de la serie 6000 se pueden describir las m�s utilizadas en los procesos de conformado, en especial los procesos de extrusi�n. De estas destaca las aleaciones 6061, 6063 y 6082. En la Tabla 5 se detalla la composici�n y propiedades mec�nicas de cada una de estas.

 

Tabla 5.� Composici�n qu�mica y propiedades mec�nicas de las aleaciones de aluminio de la serie 6000 m�s utilizadas en los procesos de conformado.

 

Fuente: (ASM-Volumen2, 1990; TALAT 1302, 1994)

Una de las caracter�sticas de estas aleaciones es que forman un compuesto llamado siliciuro de magnesio (Mg2Si) que forma parte importante dentro de las caracter�sticas y propiedades de esta serie. En la Figura 4 se puede observar la porci�n rica en aluminio del diagrama de fase de la aleaci�n Al-Mg-Si, donde destaca la formaci�n del Mg2Si en el punto eut�ctico. La precipitaci�n del compuesto Mg2Si despu�s del envejecido (temple T6), permite que las aleaciones alcancen una resistencia total, aunado a que mejoran la resistencia a la corrosi�n (Avner, 1988). Las caracter�sticas de este compuesto se pueden detallar en la Tabla 6, adem�s de otros compuestos que pueden aparecer dentro de la serie 6000.

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Figura 4. Porci�n rica en aluminio del diagrama de fase Al-Mg-Si.

Fuente: (Avner, 1988)

 

Del mismo modo, las caracter�sticas f�sicas y morfol�gicas de los compuestos presentes en esta serie permiten una identificaci�n segura con el fin de poder explicar las propiedades de las aleaciones. El color natural de algunas fases proporciona un medio confiable de identificaci�n, como el Mg2Si, pero cuando no es clara la identificaci�n exacta, las diferencias de color se pueden utilizar para determinar si es probable la presencia de m�s de una fase (ASM-Volumen9, 1985). Esto de puede detallar a trav�s de la Figura 5.

Tabla 6.� Caracter�sticas de los compuestos presentes en las aleaciones 6061 y 6063.

Fuente: (ASM-Volumen9, 1985)

 

Figura 5. Aleaci�n 6061 de 1,5. Placa de aleaci�n 6061-F, 38 mm (1.5 in) de espesor, laminada en caliente (reducci�n del 91%). Atacadas con 0.5% HF. 250x. Las part�culas son Fe3SiAl12 (gris) y Mg2Si (negro). (A) Secci�n longitudinal desde el centro del espesor de la placa. (B) Secci�n longitudinal desde la superficie de la placa cercana. Las part�culas de Fe3SiAl12 y Mg2Si est�n m�s rotas y distribuidas uniformemente que en la parte (A). Fuente: (ASM-Volumen9, 1985)

 

La aplicabilidad de las aleaciones de la serie 6000 es variada donde su mayor desarrollo esta en el �rea automotriz. En las aplicaciones t�picas se incluyen mallas de refuerzo en pistas de aterrizaje para aviones, canoas, muebles, tuber�a para aspiradora, pasamanos para puentes y aplicaciones arquitect�nicas (Avner, 1988).

 

Discusi�n y conclusiones

Uno de los materiales m�s importantes que se encuentra en la actualidad es el aluminio debido a su gran bondad como material liviano, su resistencia a la corrosi�n, su alta conductividad el�ctrica y su alta confortabilidad. Se destaca entre los aceros y los pol�meros. El aluminio tambi�n es uno de los minerales m�s abundantes de la tierra. Por su producci�n, caracter�sticas y propiedades tiene un gran costo en el mercado mundial.

Una de las utilidades que tiene el aluminio es la aplicaci�n en innumerables �reas industriales. Esto es debido a su alta confortabilidad la cual puede ser utilizada como materia prima en diversos procesos. Sus productos finales permiten dar garant�a a las necesidades de las sociedades. Dentro de estos procesos de conformado esta la laminaci�n, forjado, extrusi�n trefilado, embutido y doblado. Dentro de las variables establecidas se encuentra la presi�n de la herramienta, la fuerza de roce del material y la herramienta, la velocidad de deformaci�n, composici�n qu�mica del material y la temperatura.

Los par�metros son fundamentales en el desarrollo de la deformaci�n del aluminio. La temperatura juega un papel importante porque establece una mayor deformaci�n pl�stica, aunque en el aluminio la gran mayor�a del trabajo se realiza a temperatura ambiente debido a las caracter�sticas del mismo. Estas mismas propiedades acuerdan con la presi�n ejercida por la herramienta, la cual es mucho menor a diferencia de otros materiales met�licos de gran resistencia. La fuerza de roce est� relacionada a la calidad superficial de la materia prima la cual puede estar ayudada por el efecto del lubricante en la zona de contacto. La velocidad de deformaci�n esta influencia por la temperatura y la composici�n qu�mica del aluminio. Los elementos aleantes le dan las caracter�sticas mec�nicas de la pieza por lo que establece la potencia requerida de los equipos de conformado.

Dentro del aluminio hay una diversidad de aleaciones producto de la combinaci�n de elementos aleantes. Estos modifican las propiedades. Dentro de estas aleaciones est�n la serie 6000, la cual tiene como principales elementos que son el magnesio y silicio. El primero se caracteriza por aumentar ciertas caracter�sticas de mec�nicas y el segundo aporta la resistencia t�rmica. En esta serie se presenta la particularidad de que precipita un compuesto Mg2Si que proviene del tratamiento t�rmico del aluminio

Este compuesto, sumado a otros, permite modificar las propiedades mec�nicas del aluminio serie 6000, como el 6061, 6063 o 6082. Estas aleaciones juegan un papel importante dentro de los procesos de conformado, en especial la extrusi�n. Lo cual permiten que el Mg2Si ayude a la deformabilidad de caracter�stica estable dentro de la matriz. Es por ello que sus productos, utilizados mayormente en el �rea automotriz, sean de gran variedad sin importar el dise�o y dimensiones y con gran resistencia mec�nica y a la corrosi�n.

 

Referencias

1. ASM-Volumen2. (1990). Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials. Estados Unidos: Edition ASM Metals Handbook.
2. ASM-Volumen9. (1985). Metallography and Microstructures. Estados Unidos: ASM Metal Hand Books.
3. Avner, S. (1988). Introducci�n a la metalurg�a f�sica, 2da edici�n. M�xico, D. F. : McGraw-Hill / Interamericana de M�xico S. A de C. V. .
4. Cavazos Garcia, J. L. (1998). Tratamiento t�rmico de una aleaci�n de aluminio 6063. SAN NICOLAS DE LOS GARZA, N. L, M�XICO: Trabajo presentado para optar al titulo de Doctor en Ingenier�a de Materiales, Universidad Aut�noma de Nuevo Le�n.
5. Dieter, G. (1987). Metalurg�a Mec�nica. Madrid, Espa�a: Editorial Aguilar.
6. Groover, M. P. (1997). Fundamentos de Manufactura Moderna. Materiales, procesos y sistemas. M�xico, D. F.: Prentice -Hall Hispanoamericana S. A.
7. Kalpakjian, S. (2002). Manufactura, ingenier�a y tecnolog�a. M�xico, D.F.: Editorial Pearson.
8. TALAT 1302, H. (1994). Aluminium Extrusion: Alloys, Shapes and Properties. Birmingham, Inglaterra: Aluminium Federation.
9. TALAT. (1994). Aluminium: Physical Properties, Characteristics and Alloys. EAA - European Aluminium Association.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

�2020 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0) (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).