Aluminio que nos rodea

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

• Materialak

Desde o punto de vista do deseño, a elección do material paira a realización dunha peza ou compoñente depende de diferentes variables. Paira facilitar a análise destas variables consideraranse divididos en dous grupos. No primeiro grupo téñense en conta una serie de condicións relacionadas coas características que debe ter a peza (mecánicas, eléctricas, comportamento fronte á corrosión, etc.). No segundo consideraranse os relacionados co prezo do material. Tendo en conta estes dous grupos, elíxese o material máis adecuado paira cada caso.

En comparación co que ocorre a diario, quizá o devandito antes é demasiado simple. En moitas ocasións os procesos de obtención do material, as súas características e prezo están relacionados. Algúns destes exemplos atópanse en diferentes tipos de composites. Debido a que os procesos de obtención son aínda moi especiais, hai composites que son demasiado caros, polo que o seu uso está bastante limitado. Pola contra, si utilízanse cada vez máis estes produtos, o prezo do material diminúe ao aumentar a produción. Ademais, aínda que se manteñan as características tecnolóxicas das mesmas sen mellorar, coa diminución do prezo aumentarase a competencia fronte a outros materiais. Como se ve, o proceso é cíclico.

O que está a ocorrer nestes momentos cos composites non é novo. O mesmo sucedeu con outros materiais e o caso do aluminio pode considerarse como un exemplo diso. Neste artigo terase en conta a evolución do aluminio. Este exemplo será de gran axuda paira comprender os desequilibrios existentes entre a esperanza depositada en novos composites e materiais e o seu aínda escasa utilización.

Desde os utensilios de cociña, desde as xanelas, as partes e compoñentes do automóbil e dos demais sistemas de transporte até as latas de beber, é practicamente imposible non utilizar pezas de aluminio ao longo do día. Con todo, o aluminio non é un material utilizado desde hai tempo, xa que a súa historia comezou a mediados do século pasado.

O aluminio non permanece libre na natureza e non se coñeceu até principios do século pasado. Na década dos 20 o investigador alemán Friedrich Wöhler obtivo os primeiros glóbulos de aluminio. Con todo, aínda non rompera o camiño tecnoloxicamente e tardáronse 30 anos en comercializalo. En 1854, o químico francés Sainte-Claire Deville comezou a obter comercialmente as barras de aluminio mediante o tratamento do cloruro de aluminio con potasio (que se substituíu polo sodio máis barato) e ao ano seguinte presentouse como novo produto na Exposición de París.

Polo procedemento empregado por Deville o aluminio era moi caro e naquela época ese novo material considerábase como prata. Isto fixo que nos próximos 30 anos a produción mundial anual non alcanzase as tres toneladas. Naquela época os problemas paira producir máis cantidade non eran tecnolóxicos senón económicos. O prezo do aluminio era tan alto que o seu uso era moi limitado. Con todo, naquela época os investigadores consideraban que era un material de gran futuro (esta historia está a repetirse con novos composites e aliaxes).

Paira baixar o prezo do aluminio había que inventar outro camiño de logro, que non se fixo até 1886. Ese ano e de forma independente, o norteamericano Charles Martin Hall e o francés Paul Louis Toussaint Héroult inventaron simultaneamente un procedemento electrolítico paira obter aluminio. O óxido de aluminio (alúmina) disolto no mineral denominado crriolita, descomponse mediante a aplicación de aluminio e osíxeno a altas temperaturas mediante unha corrente eléctrica. O procedemento Hall/Héroult utilizouse até a data e, como é evidente, a importancia da electricidade é moi elevada. Por tanto, o desenvolvemento do aluminio dependía da evolución doutro tipo de tecnoloxía. Non foi posible ter en conta o procedemento electrolítico ata que a electricidade puidésese utilizar de forma barata e abundante. Na actualidade, paira obter una tonelada de aluminio necesítanse entre 15 e 18 MWh.

Este novo procedemento permitiu una importante redución do prezo do aluminio (ver figura), aínda que a venda era moi limitada. Hall puxo en marcha una fábrica na cidade de Pittsburgh paira producir aluminio, pero pronto se deu conta de que se estaba acumulando na fábrica sen vender o metal. Naquela época o mellor cliente era a siderurgia de Pittsburgh. Os técnicos desta industria déronse conta de que as características dun aceiro en estado líquido melloraban coa adición de aluminio. Con todo, como nunha tonelada de aceiro necesítase moi pouca cantidade de aluminio, é evidente que con este uso o mercado do aluminio era bastante reducido (parece sorprendente que a siderurgia fóra una das primeiras do aluminio; agora en moitos aspectos existe una forte competencia entre o aceiro e o aluminio (por suposto, as aliaxes de aluminio).

En consecuencia, o abaratamento do metal mediante a modificación do procedemento de obtención era una condición indispensable, pero con todo non se confirmou que con iso se ía a expandir o seu uso. Paira iso había que buscar novos mercados e dar resposta aos novos problemas tecnolóxicos que se expuñan en cada caso.

Paira crear novos mercados había que ter en conta as características do aluminio. As características máis importantes son: baixa densidade (considérase un metal lixeiro), bo comportamento fronte á corrosión, bo condutor eléctrico, adecuado paira o conformado (é dicir, paira dar formas especiais) e boas resistencias mecánicas aleando con outros metais (na maioría das aplicacións o aluminio está aleado con outros elementos).

Tendo en conta estas características, é fácil comprender a difusión do aluminio XX. Está relacionado coas novas tecnoloxías do século XX. A súa densidade é baixa, polo que desde o primeiro momento do fuselaje de avións apareceu como material idóneo. Grazas ás súas características eléctricas e densidade, os cables en aire de alta tensión utilizados paira transportar electricidade son de aluminio. Por tanto, a difusión do uso do aluminio non pode entenderse sen o desenvolvemento doutras tecnoloxías ou avances.

A tecnoloxía de desenvolvemento de aluminio (novas aliaxes, tratamentos térmicos, procedementos de unión, etc.) relacionouse en gran medida coa aeronáutica. Neste campo este material estivo dominado até hai pouco (de face ao futuro hai composites cada vez máis dispoñibles). Con todo, a difusión do aluminio noutros sistemas de transporte non foi tan ampla. Un exemplo destes é o dos automóbiles.

Como se mencionou anteriormente, a aparición dunha nova aplicación xera en moitas ocasións novos problemas tecnolóxicos. Isto sucede cando se trata de fabricar en aluminio a maior parte das pezas e compoñentes posibles paira reducir o peso do automóbil. É dicir, paira reducir peso non se pode facer directamente a peza que até agora era de aceiro en aluminio, aínda que se elixiu a aliaxe de aluminio adecuada paira manter a resistencia. Entre os problemas que se poden destacar atópanse os procedementos e ferramentas de conformado de chapa, a calidade final da superficie, a soldadura entre diferentes materiais e a corrosión. Tendo en conta todo iso, hai pouco Fonda editou una versión especial do NSX. Na versión tradicional a porcentaxe de aluminio non superaba o 7%, pero co obxectivo de reducir peso, co uso de aluminio na carrozaría a porcentaxe deste material elevouse ao 31%, diminuíndo así o peso da carrozaría en 140 kg.

Paira o lanzamento desta versión desenvolveuse un novo deseño de carrozaría, tendo en conta que as características mecánicas do aluminio (é dicir, as aliaxes de aluminio) son moi diferentes ás do aceiro (resistencia, rixidez, dificultade). Ademais, o conformado dos ferros de aceiro está moi traballado. Pola contra, as conformaciones dos ferros de aluminio son relativamente novas (a extrusión de aluminio domínase moi ben, pero non ocorre o mesmo con outros procesos de obtención), polo que o forxado de aluminio antes de construír o automóbil foi estudado en profundidade por Fonda. O mesmo pode dicirse do resto de problemas (calidade final de chapa, precisión dimensional, soldadura, etc.).

Tras o lanzamento deste novo coche de aluminio, os técnicos de Hondako aseguran que aínda quedan moitos problemas por resolver. As facilidades de conformación dos ferros de aceiro non poden compararse coas características do aluminio e paira poder competir no campo da produción é necesario adaptar os equipos de forxa (máquinas, matrices, lubricantes, etc.).

Con todo, o maior problema do aluminio paira o seu uso en carrozarías de automóbiles non é tecnolóxico senón económico. O prezo dos ferros de aceiro respecto ao de aluminio é moito máis barato. Por tanto, neste caso tamén é como ocorría con outras aplicacións anteriores. En consecuencia, nos próximos anos non parece que se produza un cambio significativo nesta materia.

Paira finalizar, hai que ter en conta una característica importante que até agora non se destacou: o aluminio é un material reciclable. Como consecuencia dos mandatos da Unión Europea, nalgúns casos a selección de materiais realízase tendo en conta a súa capacidade de reciclaxe. Desde este punto de vista, o aluminio é un material moi apropiado. Tras a súa recollida en vertedoiros, debido á súa baixa temperatura de fusión (que non alcanza os 700ºC), o uso de chatarra de aluminio é relativamente barato. Pola contra, en comparación co aceiro, o metal magnético non é máis difícil de recoller en vertedoiros.

En resumo, ao longo do artigo tívose en conta a evolución do aluminio máis utilizado entre os metais tras o aceiro. A pesar de que na práctica diaria moitas pezas son de aluminio (ou mesmo nalgúns compoñentes), o seu desenvolvemento depende doutras tecnoloxías e factores. Entre outras cousas, hai que mencionar as variacións no prezo da enerxía (debido á gran cantidade de enerxía que se necesita paira obter o aluminio, o incremento no prezo do mesmo fai que aumente considerablemente o prezo do aluminio).

Noutros casos, o uso de aluminio implica cambios e replanteamientos desde o punto de vista do deseño da peza e dos procedementos de elaboración do material. Como se viu no exemplo do automóbil, paira iso necesítase moito traballo. En gran medida, o mesmo está a suceder nos últimos anos cos novos materiais denominados composites. Cos composites, sobre todo, pero o uso de materiais cerámicos require en moitos casos a adaptación de equipos e deseños no campo da produción, o que require necesariamente un tempo.

Aplicacións do aluminio Aplicacións eléctricas: o seu conductividad eléctrica é do 65% en comparación co cobre, pero a súa menor densidade e prezo convérteo no material máis adecuado paira formar redes eléctricas de gran distancia. Na actualidade, a metade da electricidade transpórtase a través do aluminio. Industrias químicas: o seu comportamento fronte á corrosión é moi bo, polo que se trata dun material de procesado e envasado de alimentos, máis barato que o aceiro inoxidable (en moitos casos considérase que o uso máis importante do aluminio é o aeronáutico e así é desde o punto de vista das características do material. Con todo, a metade da produción de Alcola, o maior produtor de aluminio do mundo, está destinada á fabricación de latas paira beber. Aplicacións estruturais: a resistencia/peso/relación dalgunhas aliaxes de aluminio é moi boa paira substituír a outros tipos de materiais en estruturas. Ademais, o seu comportamento fronte á corrosión fai que os custos de mantemento sexan moi baixos. Paira estas aplicacións utilízanse aliaxes Ao/Mg/Se e Ao/Mg/Se/Mn. Doutra banda, mediante a extrusión pódense obter xeometrías especiais, por exemplo as seccións especiais utilizadas nas xanelas de aluminio. Dentro deste grupo pódense considerar xanelas, varandas de balcón, biombos, etc. Transporte: na construción de trens, tanto en estruturas como en diferentes compoñentes internos (portas, barras de depósito de maletas, ...), o aluminio utilízase desde hai tempo grazas á súa baixa densidade. Nos automóbiles tamén se utiliza aluminio paira reducir peso en certos compoñentes (pistones, carters, etc.) e noutras aplicacións porque a súa conductividad térmica é boa (bloques, culatas). Con todo, aínda que o valor da súa densidade sexa moi interesante, substituíndo o aceiro nas carrozarías paira ser o material principal, aínda non se considera una alternativa real. Aeronáutica: o desenvolvemento do aluminio débese en gran medida á industria aeronáutica. As aliaxes con cobre, cuxa resistencia mecánica é elevada grazas aos tratamentos térmicos, foron utilizadas con gran frecuencia nos avións. Con todo, nos próximos anos algúns composites poden substituír a un gran número de aluminio dos avións. Con todo, na última década están a desenvolverse novas aliaxes Ao/Li, o que permite ao aluminio manter a súa importancia neste campo (o avión europeo Airbus 320, ademais de aliaxes de aluminio de alta resistencia convencional, está dotado de novas aliaxes Ao/Li).