Aleaciones del aluminio: ¿cuáles son las más importantes y para qué se usan?

El aluminio es un metal clave para la transición energética. El hecho de que no se use en su estado puro, como sí se hace con el hierro, aunque se produzca especialmente para fabricar aluminio hace que conocer las aleaciones del aluminio sea fundamental en la industria.

Incluso actualmente es posible en algunos casos anticipar las propiedades que tendrá una aleación con un porcentaje de elementos determinado mediante inteligencia artificial.

El aluminio es un metal de moda. Sus principales características, como su resistencia y su ligereza, lo convierten en un metal cada vez más interesante y a veces imprescindible para multitud de industrias.

El proceso que va desde el yacimiento hasta nuestra lata de refresco, el marco de nuestra ventana, la batería de nuestro coche eléctrico o el avión que nos lleva de vacaciones, entre otros muchos usos que tiene, está marcado por dos circunstancias:

  • que a pesar de ser uno de los elementos con más presencia en la Tierra sólo es económicamente viable extraerlo del mineral bauxita, y
  • que su forma pura no sirve en la industria, son las aleaciones del aluminio las que se usan.

En este artículo te presentamos las aleaciones más importantes de este material.

¿Dónde se encuentra el aluminio?

El aluminio es uno de los elementos químicos más abundantes en la corteza terrestre continental, concretamente el tercero después del oxígeno y el silicio, y el quinto en toneladas extraídas de yacimientos minerales.

Sin embargo, no en todos los minerales de aluminio su extracción es económicamente viable: prácticamente todo se produce a partir de la bauxita, una roca sedimentaria con un alto contenido en aluminio que se suele encontrar en los climas tropicales y subtropicales húmedos. De ahí que los principales países extractores de bauxita sean Australia, China, Guinea y la India.

El hecho de que sólo la extracción de la bauxita sea viable económicamente para producir el aluminio se debe a que se puede someter fácilmente a un proceso de lixiviación: el aluminio se desplaza mediante el movimiento de agua en el suelo que puede llevarse a cabo de forma sencilla en un clima húmedo como el tropical o el subtropical.

Tras esta lixiviación el aluminio pasa por otras fases, como la de precipitación en una solución en forma de dióxido de aluminio, que luego se calcina para obtener alúmina. Todo este proceso se llama Proceso Bayer.

Tras el Proceso Bayer, la alúmina debe fundirse, disolviéndose en un baño de criolita fundido que elimina el aluminio fundido mediante electrólisis. Esta parte se llama Proceso Hall-Heroult.

Los principales países productores de aluminio desde la bauxita, es decir, que llevan a cabo esta última transformación, son normalmente países en los que la electricidad es más barata, ya que la electrólisis conlleva un gasto energético elevado. De ahí que el reciclado de aluminio se haya hecho imprescindible para el futuro.

Entre estos países podemos encontrar Canadá, donde se lleva a cabo la electrólisis requerida mediante el uso de energía hidroeléctrica, pero también China, la India y Rusia (en primer, segundo y tercer lugar, respectivamente, justo antes antes que Canadá).

El proceso de producción del aluminio, sin embargo, no acaba aquí.

Tras estas fases se hace necesario un proceso de aleación con otros metales para poder utilizarlo para los diferentes usos industriales.

¿Qué es una aleación de aluminio?

Seguramente el concepto “aleación” no nos resulta desconocido a la mayoría de nosotros. Se trata de una mezcla de materiales metálicos, en este caso, una aleación de aluminio es una mezcla de aluminio con otros metales.

El término «aleación» se reserva únicamente a la mezcla de dos o más materiales siempre y cuando uno de ellos, al menos, sea un metal.

Otra característica que define a una aleación es que debe haber sido forjada para un propósito humano. Es decir, que no encontramos aleaciones en la naturaleza que se produzcan de forma espontánea, siempre son procesos que pasan por las manos de personas.

La mezcla de elementos en la bauxita, por ejemplo, no puede considerarse una aleación. Además, es también una condición de una aleación que retenga todas las propiedades del metal en el material resultante (conductividad eléctrica, ductilidad, brillo, opacidad…), y además puede resultar en propiedades adicionales, como una mayor fuerza o dureza de la que tenían los metales de origen.

En resumen, una aleación:

  • Debe contener al menos un metal en la mezcla.
  • La producen las personas, no surgen espontáneamente en la naturaleza.
  • Debe retener las propiedades de los elementos de origen.
  • Puede resultar en cualidades adicionales a las de los elementos de origen.

Las aleaciones suelen definirse por porcentaje de masa de cada material: por ejemplo, 93,6% aluminio + 6,0% cobre + 0,4% zirconio (juntos suman 100%) en el caso de la aleación de aluminio 2004. En el caso de los estudios científicos básicos suelen definirse en fracción atómica: por ejemplo, Cu-27wt%Al en el caso de una aleación de cobre y aluminio que contiene un 27% de su peso en aluminio y un 73% de su peso en cobre.

Siempre una aleación y nunca en estado puro

A diferencia del hierro, que se produce principalmente para alearlo con carbono y obtener el acero, pero también se usa en su estado puro (como el hierro forjado), el aluminio nunca se usa en su estado puro porque sus cualidades no resultan interesantes para su uso.

Por eso llamamos aluminio a las aleaciones de aluminio y no conocemos el nombre de sus aleaciones más habituales (en la industria sí se habla de Duralumin, Magnalium, Birmabright…), porque no se concibe industrialmente este metal sin alearlo, algo que sí ocurre con otros elementos.

Existen numerosísimas aleaciones del aluminio, hasta el punto que hoy en día sistemas de inteligencia artificial pueden predecir las mejores proporciones, anticipando las características de la aleación antes de probarla, como se explica en este estudio.

Un mundo de aleaciones de aluminio

Como hemos avanzado, existen innumerables aleaciones de aluminio. Esto es así literalmente, como hemos visto con el sistema de predicción automática de aleaciones, ya que cada variación de porcentaje de los elementos de la mezcla, por pequeña que sea, da lugar a una aleación nueva. Sin embargo, las más usadas rondan las 50.

Las aleaciones se clasifican mediante un sistema numérico que las ordena por series de millares (serie 1000, serie 2000, serie 3000…).

Cada serie se considera una familia de aleación con unas características comunes (los elementos que contienen).

En las familias (series) se pueden hacer también pequeñas adiciones de cromo, titanio, zirconio, níquel, etc.

Serie Elemento de la aleación
1XXX Ninguno (99% + Aluminio)
2XXX Cobre
3XXX Manganeso
4XXX Silicio
5XXX Magnesio
6XXX Magnesio + Silicio
7XXX Zinc
8XXX Litio

A continuación listamos aleaciones por cada serie más usadas.

Serie 1000

Aleación 1100: a nivel comercial, es lo que se entendería como aluminio puro, ya que tan sólo contiene un 0,1% de cobre como máximo y el mínimo de 99% restante es aluminio. También puede contener pequeñas proporciones de hierro, silicio, zinc y manganeso, entre otros.

Sus aplicaciones son de tipo universal, como por ejemplo la fabricación de vajilla metálica, y también en la industria química y de procesamiento de alimentos, ya que es muy fácil de trabajar y de soldar por su ductilidad y su blandura y su conductividad térmica, aunque no soporta tratamiento térmico para endurecerse, debe hacerse en frío.

También mantiene una buena conductividad eléctrica.

Serie 2000

La serie 2000, que son las variaciones de aluminio y cobre, es una de las más usadas.

Algunas aleaciones a destacar son:

Aleación 2011: esta aleación, consistente cobre (5,5%), bismuto (0,4%) y plomo (0,4%), es valorada por su elevada resistencia mecánica y su idoneidad para el mecanizado (especialmente para proyectos llevados a cabo con tornos automáticos con piezas complejas y con detalles), siendo fácil su pulido porque produce muy poca rebaba.

Sus aplicaciones principales son universales, incluyen electrodomésticos, automoción y artillería, entre otros.

Aleación 2014: es una aleación que consiste en cobre (4,4%), silicio (0,8%), manganeso (0,8%) y magnesio (0,5%), y como la aleación 2011 es valorada por su alta resistencia y ser ideal para el mecanizado.

Su uso principal se encuentra en aplicaciones aeroespaciales estructurales por su resistencia, aunque se usa de forma universal.

Aleación 2024: es una de las aleaciones de aluminio de alta resistencia más utilizadas, hace tiempo conocida como duraluminio. Combina cobre (4,4%), manganeso (0,6%) y magnesio (1,5%). Tiene una tolerancia media al mecanizado y sólo se puede soldar por fricción.

Su buena relación resistencia/peso y su alta resistencia a la fatiga (el daño que puede tolerar por carga) la hace ampliamente utilizada para aplicaciones que se beneficien de estas cualidades, por ejemplo, en ingeniería aeroespacial. Puede recubrirse de otros materiales como el zinc o de aluminio de una pureza mayor para aumentar su resistencia a la corrosión, aunque esto puede ocasionar una pérdida de resistencia a la fatiga.

Serie 3000

Aleación 3003: se trata de la aleación de aluminio más usada de todas. Consiste en un aluminio que a nivel comercial se entendería como puro, con una adición de manganeso para aumentar su resistencia (tiene un 20% más de resistencia que el grado 1100) y de cobre (un 1,5% y un 0,12% respectivamente). Lo caracteriza una excelente resistencia a la corrosión y trabajabilidad. Este grado se puede embutir o girar, soldar o soldar.

Se usa para aplicaciones universales, como envases, láminas, letreros, decoración general, etc.

Serie 4000

Se trata de aleaciones de aluminio y silicio, en las que el silicio puede ir del 0,6 hasta el 21,5%. El silicio aleado con el aluminio reduce su punto de fusión y lo hace más fluido una vez fundido. Se puede añadir magnesio o cobre para aumentar su capacidad de respuesta térmica, ya que el silicio no es tratable térmicamente. Esto es interesante en aplicaciones de soldadura, por lo que estas aleaciones se suelen usar como material de relleno.

Serie 5000

Aleación 5052: se trata de una aleación de aluminio, magnesio (2,5%) y cobre (0,25%), no tratable térmicamente, con una resistencia mayor a la de la mayoría de otros grados de aluminio de estas características, incluida la resistencia a la corrosión del agua salada, muy fácil de trabajar, permitiendo formas muy diversas. Se le suelen añadir cantidades menores de cobre, hierro, manganeso, silicio o zinc.

Estas características la hacen muy usada en infraestructuras marinas sensibles a las fallas, como los tanques de los buques cisterna de gas natural licuado, así como en ingeniería aeroespacial y en arquitectura (tuberías, tanques de combustible, farolas, etc.)

Serie 6000

Aleación 6061: de entre las aleaciones de aluminio que se pueden tratar térmicamente, está es la más versátil, ya que mantiene gran parte de las cualidades del aluminio, como su resistencia a la corrosión, se puede fabricar con la mayoría de técnicas de uso común, tiene una buena trabajabilidad si se recuece y se puede soldar por cualquier método. Incluye silicio (0,6%), magnesio (1,0%), cobre (0,25%) y cromo (0,2%), que lo hace ofrecer unas buenas propiedades mecánicas y una buena resistencia a la corrosión.

Estas cualidades hacen a la aleación idónea para ingeniería aeroespacial, naval, automoción, industria alimentaria, equipos de vacío, entre otros. En esta entrada en la Wikipedia se puede ver un listado de aplicaciones más extenso.

Aleación 6063: es una aleación que combina sólo silicio y magnesio (0,4% y 0,7% respectivamente), y presenta propiedades de tracción (el esfuerzo interno que experimenta una pieza de material si se le aplican dos fuerzas en sentidos opuesto, como si “escurriéramos” un trapo con las manos), una elevada resistencia a la corrosión y unas buenas cualidades de acabado.

Estas propiedades la hacen muy valorada en arquitectura (molduras interiores y exteriores). A diferencia del grado 6061, en el que son redondas, las formas de tubo y ángulo en la aleación 6063 suelen tener esquinas cuadradas.

Serie 7000

Aleación 7075: se trata de una de las aleaciones de aluminio con más resistencia conocidas. Como la aleación 2024 tiene una relación resistencia/peso muy buena, ideal para piezas que deben someterse a grandes esfuerzos. Consiste en un 5,6% de zinc, un 2,5% de magnesio, un 1,6% de cobre y un 0,23% de cromo.

Estas cualidades, junto con la baja densidad del aluminio, propiedades térmicas y capacidad para ser pulido, hacen que esta aleación sea utilizada sobre todo en ingeniería aeroespacial.

Bibliografía de interés:

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