Aleaciones de magnesio
Las aleaciones de magnesio son mezclas de magnesio con otros metales, a menudo aluminio, zinc, manganeso, silicio, cobre, tierras raras y circonio. Las aleaciones de magnesio tienen una estructura de retícula hexagonal, lo que afecta a sus propiedades fundamentales. La deformación de la red hexagonal es más compleja que la de las retículas cúbicas propias de metales como el aluminio, el cobre y el acero. Las aleaciones de magnesio se usan habitualmente como materiales de fundición moldeables, pero la investigación sobre los compuestos adecuados para la forja ha sido más intensa desde 2003. Las aleaciones de magnesio fundidas se usan para muchos componentes de los automóviles modernos y también se han usado en algunos vehículos de altas prestaciones. El magnesio fundido a presión también se usa en las carcasas y en algunos componentes del accionamiento de las lentes de algunas cámaras fotográficas. Prácticamente todas las aleaciones comerciales de magnesio fabricadas en los Estados Unidos contienen aluminio y manganeso. Muchas también contienen zinc y algunas son endurecidas mediante tratamiento térmico. Todas las aleaciones se pueden usar para distintos procesos, pero las aleaciones AZ63 y AZ92 se usan más para fundición, la AZ91 para fundición a presión y la AZ92 se emplea generalmente para fundición en molde permanente. Para procesos de forja, la aleación AZ61 es la más utilizada, empleándose la aleación M1 donde se no se requiere una resistencia elevada y la AZ80 para mayor resistencia. Mediante procesos de extrusión se fabrica una amplia gama de formas, especialmente barras y tubos con la aleación M1 cuando es suficiente una resistencia baja o cuando se requiere realizar soldaduras con piezas de fundición también de M1. Las aleaciones AZ31, AZ61 y AZ80 se emplean para extrusiones en el orden de preferencia mencionado, donde el aumento de la resistencia justifica sus mayores costos relativos. El magnox, una aleación cuyo nombre es una abreviatura de "magnesio no oxidante", tiene un 99 % de magnesio y un 1 % de aluminio, y se utilizaba en el revestimiento de las barras de combustible de los reactores nucleares Magnox. Las aleaciones de magnesio se denominan mediante códigos abreviados que denotan composiciones químicas aproximadas por peso. Por ejemplo, AS41 tiene 4 % de aluminio y 1 % de silicio; y AZ81 tiene un 7,5 % aluminio y un 0,7 % de zinc. Si el aluminio forma parte de la aleación, casi siempre también está presente un componente de manganeso en aproximadamente 0,2% en peso, que sirve para mejorar la estructura del grano. Si el aluminio y el manganeso están ausentes, el circonio suele estar presente en alrededor del 0,8 % con este mismo propósito. El magnesio es un material inflamable, por lo que debe manejarse con cuidado.
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Las aleaciones de magnesio son mezclas de magnesio (el metal estructural más ligero) con otros metales, a menudo aluminio, zinc, manganeso, silicio, cobre, tierras raras y circonio. Las aleaciones de magnesio tienen una estructura de retícula hexagonal, lo que afecta a sus propiedades fundamentales. La deformación de la red hexagonal es más compleja que la de las retículas cúbicas propias de metales como el aluminio, el cobre y el acero. Las aleaciones de magnesio se usan habitualmente como materiales de fundición moldeables, pero la investigación sobre los compuestos adecuados para la forja ha sido más intensa desde 2003. Las aleaciones de magnesio fundidas se usan para muchos componentes de los automóviles modernos y también se han usado en algunos vehículos de altas prestaciones. El magnesio fundido a presión también se usa en las carcasas y en algunos componentes del accionamiento de las lentes de algunas cámaras fotográficas.
Prácticamente todas las aleaciones comerciales de magnesio fabricadas en los Estados Unidos contienen aluminio (del 3 al 13 por ciento) y manganeso (del 0,1 al 0,4 por ciento). Muchas también contienen zinc (0,5 a 3 por ciento) y algunas son endurecidas mediante tratamiento térmico.
Todas las aleaciones se pueden usar para distintos procesos, pero las aleaciones AZ63 y AZ92 se usan más para fundición, la AZ91 para fundición a presión y la AZ92 se emplea generalmente para fundición en molde permanente (mientras que la AZ63 y la A10 a veces también se usan en esta última aplicación). Para procesos de forja, la aleación AZ61 es la más utilizada, empleándose la aleación M1 donde se no se requiere una resistencia elevada y la AZ80 para mayor resistencia. Mediante procesos de extrusión se fabrica una amplia gama de formas, especialmente barras y tubos con la aleación M1 cuando es suficiente una resistencia baja o cuando se requiere realizar soldaduras con piezas de fundición también de M1. Las aleaciones AZ31, AZ61 y AZ80 se emplean para extrusiones en el orden de preferencia mencionado, donde el aumento de la resistencia justifica sus mayores costos relativos.[1]
El magnox, una aleación cuyo nombre es una abreviatura de "magnesio no oxidante", tiene un 99 % de magnesio y un 1 % de aluminio, y se utilizaba en el revestimiento de las barras de combustible de los reactores nucleares Magnox.
Las aleaciones de magnesio se denominan mediante códigos abreviados (definidos en la norma ASTM B275) que denotan composiciones químicas aproximadas por peso. Por ejemplo, AS41 tiene 4 % de aluminio y 1 % de silicio; y AZ81 tiene un 7,5 % aluminio y un 0,7 % de zinc. Si el aluminio forma parte de la aleación, casi siempre también está presente un componente de manganeso en aproximadamente 0,2% en peso, que sirve para mejorar la estructura del grano. Si el aluminio y el manganeso están ausentes, el circonio suele estar presente en alrededor del 0,8 % con este mismo propósito. El magnesio es un material inflamable, por lo que debe manejarse con cuidado.
Aleaciones para fundición
| ASTM | B275 |
|---|---|
| A | Aluminio |
| B | Bismuto |
| C | Cobre |
| D | Cadmio |
| E | Tierras raras |
| F | Hierro |
| H | Torio |
| J | Estroncio |
| K | Zirconio |
| L | Litio |
| M | Manganeso |
| N | Níquel |
| P | Plomo |
| Q | Plata |
| R | Cromo |
| S | Silicio |
| T | Estaño |
| V | Gadolinio |
| W | Itrio |
| X | Calcio |
| Y | Antimonio |
| Z | Zinc |
Los nombres de las aleaciones de magnesio a menudo se dan con dos letras seguidas de dos números. Las letras indican los principales elementos de aleación (A = aluminio, Z = zinc, M = manganeso, S = silicio). Los números indican las respectivas proporciones nominales de los principales elementos de la aleación. La denominación AZ91, por ejemplo, designa a una aleación de magnesio con aproximadamente una concentración en peso del 9 % de aluminio y del 1 % de zinc. La composición exacta debe confirmarse a partir de estándares de referencia.
El sistema de designación de las aleaciones de magnesio no está tan bien estandarizado como en el caso de los aceros o las aleaciones de aluminio; la mayoría de los productores siguen un sistema que usa una o dos letras de prefijo, dos o tres números y una letra de sufijo. Las letras del prefijo designan los dos principales metales de aleación de acuerdo con el siguiente formato desarrollado en la especificación B275 de la ASTM, como se muestra en la tabla de la derecha.[1]
El aluminio, el zinc, el zirconio y el torio contribuyen al endurecimiento del compuesto por precipitación: el manganeso mejora la resistencia a la corrosión;[2] y el estaño mejora la moldeabilidad del material. El aluminio es el elemento de aleación más común. Los números corresponden al porcentaje redondeado de los dos elementos principales de la aleación, procediendo alfabéticamente a medida que las composiciones se vuelven estándar. La designación del proceso de revenido es muy similar a la del aluminio, empleándose los códigos –F, -O, -H1, -T4, -T5 y –T6.
El molde permanente en arena y la fundición a presión son los procesos más ampliamente desarrollados para las aleaciones de magnesio, siendo la fundición a presión la más popular. Aunque el magnesio cuesta aproximadamente el doble que el aluminio, su proceso de fundición a presión en cámara caliente es más fácil, más económico y entre un 40 % y un 50 % más rápido que el proceso de cámara fría requerido para el aluminio. Su comportamiento como material forjable es pobre a temperatura ambiente, pero la mayoría de los procesos convencionales se pueden realizar cuando se calienta a temperaturas del orden de 450-700 grados Fahrenheit (232,2-371,1 °C). Como estas temperaturas se alcanzan fácilmente y generalmente no requieren una atmósfera protectora, se fabrican muchos productos de magnesio formados o sometidos a embutición. Las propiedades para el mecanizado de las aleaciones de magnesio es la mejor de cualquier metal comercial y, en muchas aplicaciones, los ahorros en los costos de mecanizado compensan con creces el mayor costo del material. Sin embargo, es necesario mantener las herramientas afiladas y dejar suficiente espacio para las virutas. Las aleaciones de magnesio se pueden soldar casi tan fácilmente como las de aluminio, pero es necesario cepillarlas o limpiarlas con productos químicos previamente. La soldadura por fusión se lleva a cabo más fácilmente mediante procesos que utilizan una atmósfera protectora inerte de gas argón o helio. Existe una considerable desinformación sobre el riesgo de incendio en el procesamiento de aleaciones de magnesio. Es cierto que son altamente combustibles cuando se encuentran en forma finamente dividida, como polvo o virutas finas, y este peligro debe evitarse siempre. Por encima de 800 grados Fahrenheit (426,7 °C), se requiere una atmósfera libre de oxígeno y no combustible para evitar que se queme. Las operaciones de fundición a menudo requieren precauciones adicionales debido a la reactividad del magnesio con la arena y el agua en forma de lámina, barra, forma extrusionada o fundición; pero las aleaciones de magnesio no representan un peligro real de incendio.[1]
Las aleaciones que contienen torio generalmente no se usan, ya que un contenido de torio de más del 2 % requiere que se manipule como un material radiactivo, aunque el magnesio toriado conocido como Mag-Thor se usó en aplicaciones militares y aeroespaciales en la década de 1950.
Las aleaciones de magnesio se utilizan tanto para componentes fundidos como forjados: las que contienen aluminio se utilizan normalmente para fundición; las que contienen circonio para piezas forjadas; y las que incluyen circonio se pueden usar a temperaturas más altas y son populares en la industria aeroespacial.
Las aleaciones de magnesio, itrio, tierras raras y circonio como la WE54 y la WE43 (esta última con una composición de Mg 93,6 %, Y 4 %, Nd 2,25 %, Zr 0,15 %) pueden trabajar sin fluencia hasta 300 °C y son razonablemente resistentes a la corrosión.
Los nombres comerciales a veces se han asociado con aleaciones de magnesio. Ejemplos conocidos son:
La fundición de magnesio presenta fluencia a tensiones del orden de 75–200 MPa, la tensión de rotura está comprendida en el intervalo 135–285 MPa con una elongación del 2–10 %. Su densidad típica es de 1,8 g/cm3 y su módulo de Young es de 42 GPa.[3] Las aleaciones de fundición más comunes son:
- AZ63
- AZ81
- AZ91[4]
- AM50
- AM60
- ZK51
- ZK61
- ZE41
- ZC63
- HK31
- HZ32
- QE22
- QH21
- WE54
- WE43
- Electron 21
Aleaciones forjadas
La tensión de prueba de la aleación forjada de magnesio es típicamente de 160-240 MPa, la resistencia a la tracción es de 180-440 MPa y el alargamiento es de 7-40%.[5] Las aleaciones forjadas más comunes son:
- AZ31
- AZ61
- AZ80
- Electrón 675
- ZK60
- M1A
- HK31
- HM21
- ZE41
- ZC71 ZM21 AM40 AM50 AM60 K1A M1 ZK10 ZK20 ZK30 ZK40
Las aleaciones de magnesio forjado tienen una característica especial. Su resistencia a la compresión es menor que la resistencia a la tracción. Después de la formación, las aleaciones de magnesio forjado tienen una textura fibrosa en la dirección de la deformación, lo que aumenta su resistencia a la tracción. En compresión, la resistencia de prueba es menor debido a procesos de maclado,[6] que se producen más fácilmente a compresión que a tracción en aleaciones de magnesio debido a la estructura de red hexagonal.
Las preparaciones en polvo extrusionadas y rápidamente solidificadas alcanzan resistencias a la tracción de hasta 740 MPa debido a su carácter cristalino amorfo,[7] siendo dos veces más fuertes que las aleaciones de magnesio tradicionales más resistentes y comparable a las aleaciones de aluminio de mayor capacidad mecánica.
Tabla de composiciones
| Nombre de la aleación | Proporción (%) | Otros metales | Notas | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Mg | Al | Zn | Si | Mn | |||
| AE44 | 92 | 4 | - | - | - | 4% metal de Misch | Con metal de Misch, una aleación de elementos de tierras raras con aproximadamente 50% de cerio y 25% de lantano |
| AJ62A[8] | 89.8–91.8 | 5.6–6.6 | 0.2 | 0.08 | 0.26–0.5 | 2.1–2.8% Sr, <0.1% cada uno de Be, Cu, Fe, Ni | Aleación de Mg para motores de alta temperatura |
| WE43 | 93.6 | - | - | - | - | Y 4%, Nd 2.25%, 0.15% Zr | Utilizado en aeronaves y vehículos de alto rendimiento, resistencia a la tracción 250 MPa[9] |
| AZ81 | ? | 7.5 | 0.7 | - | 0,13 | ? | - |
| AZ31B[10] | 96 | 2.5–3.5 | 0.7–1.3 | <0.05 | 0.2 | ? | Aleación forjada, buena resistencia y ductilidad, resistencia a la corrosión, soldabilidad, extrusionable |
| AMCa602 | 91.5 | 6 | 0.1 | - | 0.35 | 2% Ca | Aleación de Mg no combustible |
| AM60 | 93.5 | 6 | 0.1 | - | 0.35 | - | - |
| AZ91[11] | 90.8 | 8.25 | 0.63 | 0.035 | 0.22 | Cu – 0.003; Fe – 0.014; Be – 0.002 | Utilizada para fundición a presión |
| QE22[12] | - | - | - | - | - | 2.5% Ag, 2% RE, 0.6% Zr | |
| Magnox (Al 80) | 99.2 | 0.8 | - | - | - | - | Aleación de magnesio no oxidante |
Características
Las propiedades particulares del magnesio son similares a las de las aleaciones de aluminio: peso específico bajo con resistencia satisfactoria. El magnesio proporciona ventajas sobre el aluminio, ya que tiene una densidad aún menor (unos 1800 kg/m3 frente a unos 2800 kg/m3).[13] Sin embargo, las propiedades mecánicas de las aleaciones de magnesio tienden a ser inferiores a las de las aleaciones de aluminio más resistentes.[14]
La relación peso-resistencia de las aleaciones de magnesio endurecidas por precipitación es comparable con la de las aleaciones de aluminio más fuertes o con la de los aceros aleados. Las aleaciones de magnesio, sin embargo, tienen una densidad más baja, soportan una mayor carga de columna por unidad de peso y tienen un módulo específico más alto. También se usan cuando no es necesaria una gran resistencia, pero se desea una forma maciza pero ligera, o cuando se necesita una rigidez mayor. Estas características propician su uso en la fundición de piezas de formas complicadas, como carcasas o fuselajes para aeronaves; y en piezas para máquinas de movimiento alternativo o de rotación rápida. Tales aplicaciones pueden inducir procesos de maclado y desdoblamiento cíclicos que reducen el límite elástico cuando el material se somete a repetidos ciclos de cambio de dirección de la carga.[6]
La resistencia de las aleaciones de magnesio se reduce a temperaturas algo elevadas; temperaturas tan bajas como 200 grados Fahrenheit (93,3 °C) producen una reducción considerable de su límite elástico. La mejora de las propiedades a alta temperatura de las aleaciones de magnesio es un área de investigación activa con resultados prometedores.[14]
Las aleaciones de magnesio muestran una fuerte anisotropía y una baja formabilidad a temperatura ambiente, debido a su estructura cristalina compacta hexagonal, lo que limita los modos prácticos de procesamiento.[15][6] A temperatura ambiente, el deslizamiento de la dislocación del plano basal y el maclado mecánico son los únicos mecanismos de deformación operativos; la presencia de maclas requiere además que unas condiciones de carga específicas sean favorables.[6] Por estas razones, el procesamiento de las aleaciones de magnesio debe realizarse a altas temperaturas para evitar la fractura frágil.[16]
Las propiedades a alta temperatura de las aleaciones de magnesio son relevantes para aplicaciones automotrices y aeroespaciales, donde la desaceleración de la deformación por fluencia lenta juega un papel importante en la vida útil del material. Las aleaciones de magnesio generalmente tienen malas propiedades de fluencia; esta deficiencia se atribuye a las adiciones de soluto en lugar de a la matriz de magnesio, ya que el magnesio puro muestra una vida de fluencia similar a la del aluminio puro, pero las aleaciones de magnesio muestran una vida de fluencia menor en comparación con las aleaciones de aluminio.[14][16] La fluencia en aleaciones de magnesio se produce principalmente por deslizamiento por dislocación, que activa el deslizamiento cruzado y el deslizamiento de límite de grano.[17] Se ha demostrado que la adición de pequeñas cantidades de zinc en las aleaciones de Mg-RE aumenta la vida de fluencia en un 600 % al estabilizar los precipitados en los planos basal y prismático a través del endurecimiento de la unión localizada.[17] Estos desarrollos han permitido que las aleaciones de magnesio se utilicen en aplicaciones automotrices y aeroespaciales a temperaturas relativamente altas.[14] Los cambios microestructurales a altas temperaturas también están influidos por la recristalización dinámica en aleaciones de magnesio de grano fino.[6]
Se investigan las contribuciones individuales del gadolinio y el itrio a la reducción del envejecimiento térmico y al incremento de la resistencia a altas temperaturas de las aleaciones de magnesio que contienen ambos elementos, analizando compuestos que incluyen diferentes relaciones molares de Gd:Y de 1:0, 1:1, 1:3 y 0:1 con un contenido de Y + Gd de 2,75 mol%. Todas las aleaciones investigadas exhiben un notable endurecimiento por envejecimiento, debido a la precipitación de la fase β con estructura cristalina DO19 y la fase β con estructura cristalina BCO, incluso a temperaturas de envejecimiento superiores a 200 °C. Ambos precipitados se observan en muestras de edad máxima. Los precipitados que contribuyen al endurecimiento por envejecimiento son finos y su cantidad aumenta a medida que aumenta el contenido de Gd, y esto da como resultado un aumento de la dureza máxima, la resistencia a la tracción y una tensión de prueba del 0,2 %, pero una elongación disminuida. Por otro lado, un mayor contenido de Y aumenta el alargamiento de las aleaciones pero da como resultado una menor resistencia.[1]
A pesar de la naturaleza activa del metal, el magnesio y sus aleaciones tienen una buena resistencia a la corrosión en presencia de aire en condiciones de laboratorio. La tasa de corrosión es lenta en comparación con la oxidación del acero en la misma atmósfera. La inmersión en agua salada es problemática, pero se ha logrado una gran mejora en la resistencia a la corrosión por agua salada, especialmente para los materiales forjados, al reducir algunas impurezas, en particular el níquel y el cobre, a proporciones muy bajas[18] o usando recubrimientos apropiados.[19]
