Alumini que ens envolta

1993/10/01 Rodriguez Ibabe, Jose Maria Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Materialak

Des del punt de vista del disseny, l'elecció del material per a la realització d'una peça o component depèn de diferents variables. Per a facilitar l'anàlisi d'aquestes variables es consideraran dividits en dos grups. En el primer grup es tenen en compte una sèrie de condicions relacionades amb les característiques que ha de tenir la peça (mecàniques, elèctriques, comportament enfront de la corrosió, etc.). En el segon es consideraran els relacionats amb el preu del material. Tenint en compte aquests dos grups, es tria el material més adequat per a cada cas.

En comparació amb el que ocorre diàriament, potser el que s'ha dit abans és massa simple. En moltes ocasions els processos d'obtenció del material, les seves característiques i preu estan relacionats. Alguns d'aquests exemples es troben en diferents tipus de composites. Pel fet que els processos d'obtenció són encara molt especials, hi ha composites que són massa cars, per la qual cosa el seu ús està bastant limitat. Per contra, si s'utilitzen cada vegada més aquests productes, el preu del material disminueix en augmentar la producció. A més, encara que es mantinguin les característiques tecnològiques de les mateixes sense millorar, amb la disminució del preu s'augmentarà la competència enfront d'altres materials. Com es veu, el procés és cíclic.

El que està ocorrent en aquests moments amb els composites no és nou. El mateix va succeir amb altres materials i el cas de l'alumini pot considerar-se com un exemple d'això. En aquest article es tindrà en compte l'evolució de l'alumini. Aquest exemple serà de gran ajuda per a comprendre els desequilibris existents entre l'esperança dipositada en nous composites i materials i la seva encara escassa utilització.

Des dels utensilis de cuina, des de les finestres, les parts i components de l'automòbil i dels altres sistemes de transport fins a les llaunes de beure, és pràcticament impossible no utilitzar peces d'alumini al llarg del dia. No obstant això, l'alumini no és un material utilitzat des de fa temps, ja que la seva història va començar a mitjan segle passat.

L'alumini no roman lliure en la naturalesa i no es va conèixer fins a principis del segle passat. En la dècada dels 20 l'investigador alemany Friedrich Wöhler va obtenir els primers glòbuls d'alumini. No obstant això, encara no havia trencat el camí tecnològicament i es van trigar 30 anys a comercialitzar-lo. En 1854, el químic francès Sainte-Claire Deville va començar a obtenir comercialment les barres d'alumini mitjançant el tractament del clorur d'alumini amb potassi (que es va substituir pel sodi més barat) i a l'any següent es va presentar com a nou producte en l'Exposició de París.

Pel procediment emprat per Deville l'alumini era molt car i en aquella època aquest nou material es considerava com a plata. Això va fer que en els pròxims 30 anys la producció mundial anual no aconseguís les tres tones. En aquella època els problemes per a produir més quantitat no eren tecnològics sinó econòmics. El preu de l'alumini era tan alt que el seu ús era molt limitat. No obstant això, en aquella època els investigadors consideraven que era un material de gran futur (aquesta història s'està repetint amb nous composites i aliatges).

Per a baixar el preu de l'alumini calia inventar un altre camí d'assoliment, que no es va fer fins a 1886. Aquest any i de manera independent, el nord-americà Charles Martin Hall i el francès Paul Louis Toussaint Héroult van inventar simultàniament un procediment electrolític per a obtenir alumini. L'òxid d'alumini (alúmina) dissolt en el mineral denominat crriolita, es descompon mitjançant l'aplicació d'alumini i oxigen a altes temperatures mitjançant un corrent elèctric. El procediment Hall/Héroult s'ha utilitzat fins avui i, com és evident, la importància de l'electricitat és molt elevada. Per tant, el desenvolupament de l'alumini depenia de l'evolució d'una altra mena de tecnologia. No va ser possible tenir en compte el procediment electrolític fins que l'electricitat es pogués utilitzar de manera barata i abundant. En l'actualitat, per a obtenir una tona d'alumini es necessiten entre 15 i 18 MWh.

Aquest nou procediment va permetre una important reducció del preu de l'alumini (veure figura), encara que la venda era molt limitada. Hall va posar en marxa una fàbrica a la ciutat de Pittsburgh per a produir alumini, però aviat es va adonar que s'estava acumulant a la fàbrica sense vendre el metall. En aquella època el millor client era la siderúrgia de Pittsburgh. Els tècnics d'aquesta indústria es van adonar que les característiques d'un acer en estat líquid milloraven amb l'addició d'alumini. No obstant això, com en una tona d'acer es necessita molt poca quantitat d'alumini, és evident que amb aquest ús el mercat de l'alumini era bastant reduït (sembla sorprenent que la siderúrgia fos una de les primeres de l'alumini; ara en molts aspectes existeix una forta competència entre l'acer i l'alumini (per descomptat, els aliatges d'alumini).

En conseqüència, l'abaratiment del metall mitjançant la modificació del procediment d'obtenció era una condició indispensable, però no obstant això no s'havia confirmat que amb això s'anava a expandir el seu ús. Per a això calia buscar nous mercats i donar resposta als nous problemes tecnològics que es plantejaven en cada cas.

Per a crear nous mercats calia tenir en compte les característiques de l'alumini. Les característiques més importants són: baixa densitat (es considera un metall lleuger), bon comportament enfront de la corrosió, bon conductor elèctric, adequat per al conformat (és a dir, per a donar formes especials) i bones resistències mecàniques aleando amb altres metalls (en la majoria de les aplicacions l'alumini està aliat amb altres elements).

Tenint en compte aquestes característiques, és fàcil comprendre la difusió de l'alumini XX. Està relacionat amb les noves tecnologies del segle XX. La seva densitat és baixa, per la qual cosa des del primer moment del fuselatge d'avions va aparèixer com a material idoni. Gràcies a les seves característiques elèctriques i densitat, els cables en aire d'alta tensió utilitzats per a transportar electricitat són d'alumini. Per tant, la difusió de l'ús de l'alumini no pot entendre's sense el desenvolupament d'altres tecnologies o avanços.

La tecnologia de desenvolupament d'alumini (nous aliatges, tractaments tèrmics, procediments d'unió, etc.) s'ha relacionat en gran manera amb l'aeronàutica. En aquest camp aquest material ha estat dominat fins fa poc (de cara al futur hi ha composites cada vegada més disponibles). No obstant això, la difusió de l'alumini en altres sistemes de transport no ha estat tan àmplia. Un exemple d'aquests és el dels automòbils.

Com s'ha esmentat anteriorment, l'aparició d'una nova aplicació genera en moltes ocasions nous problemes tecnològics. Això succeeix quan es tracta de fabricar en alumini la major part de les peces i components possibles per a reduir el pes de l'automòbil. És a dir, per a reduir pes no es pot fer directament la peça que fins ara era d'acer en alumini, encara que s'ha triat l'aliatge d'alumini adequada per a mantenir la resistència. Entre els problemes que es poden destacar es troben els procediments i eines de conformat de xapa, la qualitat final de la superfície, la soldadura entre diferents materials i la corrosió. Tenint en compte tot això, fa poc Honda ha editat una versió especial del NSX. En la versió tradicional el percentatge d'alumini no superava el 7%, però amb l'objectiu de reduir pes, amb l'ús d'alumini en la carrosseria el percentatge d'aquest material es va elevar al 31%, disminuint així el pes de la carrosseria en 140 kg.

Per al llançament d'aquesta versió es va desenvolupar un nou disseny de carrosseria, tenint en compte que les característiques mecàniques de l'alumini (és a dir, els aliatges d'alumini) són molt diferents a les de l'acer (resistència, rigidesa, dificultat). A més, el conformat de les planxes d'acer està molt treballat. Per contra, les conformacions de les planxes d'alumini són relativament noves (l'extrusió d'alumini es domina molt bé, però no ocorre el mateix amb altres processos d'obtenció), per la qual cosa el forjat d'alumini abans de construir l'automòbil va ser estudiat en profunditat per Honda. El mateix pot dir-se de la resta de problemes (qualitat final de xapa, precisió dimensional, soldadura, etc.).

Després del llançament d'aquest nou cotxe d'alumini, els tècnics d'Hondako asseguren que encara queden molts problemes per resoldre. Les facilitats de conformació de les planxes d'acer no poden comparar-se amb les característiques de l'alumini i per a poder competir en el camp de la producció és necessari adaptar els equips de forja (màquines, matrius, lubrificants, etc.).

No obstant això, el major problema de l'alumini per al seu ús en carrosseries d'automòbils no és tecnològic sinó econòmic. El preu de les planxes d'acer respecte al d'alumini és molt més barat. Per tant, en aquest cas també és com ocorria amb altres aplicacions anteriors. En conseqüència, en els pròxims anys no sembla que es produeixi un canvi significatiu en aquesta matèria.

Per a finalitzar, cal tenir en compte una característica important que fins ara no s'ha destacat: l'alumini és un material reciclable. Com a conseqüència dels mandats de la Unió Europea, en alguns casos la selecció de materials es realitza tenint en compte la seva capacitat de reciclatge. Des d'aquest punt de vista, l'alumini és un material molt apropiat. Després de la seva recollida en abocadors, a causa de la seva baixa temperatura de fusió (que no aconsegueix els 700 °C), l'ús de ferralla d'alumini és relativament barat. Per contra, en comparació amb l'acer, el metall magnètic no és més difícil de recollir en abocadors.

En resum, al llarg de l'article s'ha tingut en compte l'evolució de l'alumini més utilitzat entre els metalls després de l'acer. A pesar que en la pràctica diària moltes peces són d'alumini (o fins i tot en alguns components), el seu desenvolupament depèn d'altres tecnologies i factors. Entre altres coses, cal esmentar les variacions en el preu de l'energia (a causa de la gran quantitat d'energia que es necessita per a obtenir l'alumini, l'increment en el preu del mateix fa que augmenti considerablement el preu de l'alumini).

En altres casos, l'ús d'alumini implica canvis i replantejaments des del punt de vista del disseny de la peça i dels procediments d'elaboració del material. Com s'ha vist en l'exemple de l'automòbil, per a això es necessita molta feina. En gran manera, el mateix està succeint en els últims anys amb els nous materials denominats composites. Amb els composites, sobretot, però l'ús de materials ceràmics requereix en molts casos l'adaptació d'equips i dissenys en el camp de la producció, la qual cosa requereix necessàriament un temps.

Aplicacions de l'alumini Aplicacions elèctriques: la seva conductivitat elèctrica és del 65% en comparació amb el coure, però la seva menor densitat i preu el converteix en el material més adequat per a formar xarxes elèctriques de gran distància. En l'actualitat, la meitat de l'electricitat es transporta a través de l'alumini. Indústries químiques: el seu comportament enfront de la corrosió és molt bo, per la qual cosa es tracta d'un material de processament i envasament d'aliments, més barat que l'acer inoxidable (en molts casos es considera que l'ús més important de l'alumini és l'aeronàutic i així és des del punt de vista de les característiques del material. No obstant això, la meitat de la producció d'Alcola, el major productor d'alumini del món, està destinada a la fabricació de llaunes per a beure. Aplicacions estructurals: la resistència/peso/relació d'alguns aliatges d'alumini és molt bona per a substituir a altres tipus de materials en estructures. A més, el seu comportament enfront de la corrosió fa que els costos de manteniment siguin molt baixos. Per a aquestes aplicacions s'utilitzen aliatges Al/Mg/Si i Al/Mg/Si/Mn. D'altra banda, mitjançant l'extrusió es poden obtenir geometries especials, com per exemple les seccions especials utilitzades en les finestres d'alumini. Dins d'aquest grup es poden considerar finestres, baranes de balcó, mampares, etc. Transport: en la construcció de trens, tant en estructures com en diferents components interns (portes, barres de dipòsit de maletes, ...), l'alumini s'utilitza des de fa temps gràcies a la seva baixa densitat. En els automòbils també s'utilitza alumini per a reduir pes en certs components (pistons, carters, etc.) i en altres aplicacions perquè la seva conductivitat tèrmica és bona (blocs, culates). No obstant això, encara que el valor de la seva densitat sigui molt interessant, substituint l'acer en les carrosseries per a ser el material principal, encara no es considera una alternativa real. Aeronàutica: el desenvolupament de l'alumini es deu en gran manera a la indústria aeronàutica. Els aliatges amb coure, la resistència mecànica del qual és elevada gràcies als tractaments tèrmics, han estat utilitzades amb gran freqüència en els avions. No obstant això, en els pròxims anys alguns composites poden substituir a un gran nombre d'alumini dels avions. No obstant això, en l'última dècada s'estan desenvolupant nous aliatges Al/Li, la qual cosa permet a l'alumini mantenir la seva importància en aquest camp (l'avió europeu Airbus 320, a més d'aliatges d'alumini d'alta resistència convencional, està dotat de nous aliatges Al/Li).