Magnesio y Sus Aleaciones

El Magnesio (Mg) y sus aleaciones Trabajo práctico de Materiales Metálicos ETSEIB-UPC Barcelona, mayo de 2008

ALUMNOS:

BRANDSTÄTT, Michaela LOPEZ CARRANZA, Santiago Nicolás ROSSI, Paulo

Resumen: En el presente trabajo se describen las propiedades de las principales aleaciones de Mg. Se comienza comentando generalidades sobre el Mg indicando porque este metal ligero es tan útil en aplicaciones donde se requieren resistencia mecánica y poco peso. Se describen como es el proceso de obtención, tratamientos térmicos, propiedades mecánicas, principales aleantes con su nomenclatura, sin dejar de lado las aplicaciones de las mismas que también son comentadas. Se analizan las principales principales aleaciones del magnesio utilizadas en aeronáutica y automovilismo. Por último se describe el mecanismo de endurecimiento por precipitación en aleaciones de magnesio termo-envejecibles. �

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Sumario Generalidades sobre el magnesio. �� Obtención de magnesio �� Propiedades mecánicas del magnesio �� Especificaciones en Aleaciones de magnesio. �� Aplicaciones. ��

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Aleación ZE41A-T5 (RZ5) �� Aleación WE-43A-T6. ��

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Aleaciones AM60B y AM50A. �� Endurecimiento por Precipitación en las Aleaciones Binarias de Magnesio. �� Mg-Al, Diagrama de fases �� Mg-Al, Curvas de endurecimiento ��

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Mg-Y, Diagrama de fases �� Mg-Y, Curvas de endurecimiento �� Mg-Zn, Diagrama de fases �� Mg-Zn, Curvas de endurecimiento �� Conclusiones: ��

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Bibliografía ��









Generalidades sobre el magnesio. El magnesio es un elemento metálico situado en el octavo lugar en abundancia en la corteza terrestre (2,33% en peso). Sus principales minerales son dolomita (el carbonato doble de magnesio y calcio), magnesita (MgCO3) y carnalita. El magnesio metálico se produce a partir de sus minerales por reducción térmica del monóxido de carbono, ferrosilicio u otros reductores o bien, mediante electrólisis del cloruro de magnesio en mezclas de sales fundidas. Como polvo, es extremadamente reactivo pero como sólido se oxida lentamente al aire y reacciona lentamente en el agua. El magnesio es un reductor poderoso y se emplea en la obtención de muchos metales a partir de sus sales: uranio y otros (titanio, etc.). Entre sus múltiples aplicaciones está su uso como desoxidante para el cobre, el latón y aleaciones de níquel. También se añade a varias aleaciones de aluminio. Es la base de aleaciones duras y ligeras utilizadas en la industria automóvil y aeronáutica (motores). Se han investigado aleaciones con zirconio y torio para la construcción de aviones. Su extremadamente baja densidad (1,74 g/cm³), incluso menor al aluminio (2,70 g/cm³), le otorga importantes ventajas en el campo de las Aleaciones Ligeras donde generalmente se encuentra aleado con aluminio, manganeso, cobre, litio, cinc, circonio y elementos lantánidos. Estas aleaciones poseen además, adecuadas características de mecanización, fabricación, empleándose en diversas piezas con aplicaciones aeronáuticas y automotrices. Algunos ejemplos de piezas en vehículos livianos son válvulas y engranajes de distribución, bridas, bastidores de cajas de transmisión y embragues, radiadores, accesos de lámparas, carcasas de motores de limpiaparabrisas y varias partes de reguladores interiores; en Aeronáutica, las aleaciones base magnesio son ampliamente empleadas en cajas de cambios al igual que en vehículos de carrera.









Figura 2. (a) Caja de cambios (gearbox) y (b) múltiple (manifold) hechos mediante fundición, de una aleación de magnesio (http://www.uk-racing-castings.co.uk)

En la Tabla 1 se compara la razón entre el límite de fluencia y la densidad de algunas aleaciones para mostrar las ventajas del empleo de aleaciones de magnesio en aplicaciones donde la densidad es un factor relevante. r elevante. Densidad gr/cm

Límite elástico, (MPa)

Razón

Aleación de Mg AZ80X extruída HTA

1,8

276

153

Aleación base Al 7075 T6

2,8

497

178

Aleación base Ti endurecida

4,5

759

169

Acero inoxidable 302, 30% trabajado en frío

7,9

966

122

Acero de alta resistencia y baja aleación

7,9

379

48

Aleación

3

Tabla 1. Razón entre módulo de fluencia y densidad densida d de algunas









En general las propiedades mecánicas de estas aleaciones son inferiores a las de aluminio, sin embargo, al considerar su densidad se tornan altamente atractivas. Uno de los principales problemas con las aleaciones base magnesio es su baja ductilidad, originada en la estructura cristalina del Mg, hexagonal compacta, la que dificulta el conformado a temperatura ambiente y por ende, el conformado de estas aleaciones suele realizarse en caliente. Su alta reactividad en estado líquido es también un problema para la fabricación de estas aleaciones vía fusión.

Obtención de magnesio El magnesio es uno de los elementos químicos más abundantes en la naturaleza y se lo encuentra en forma de minerales. miner ales. El magnesio metálico se obtiene por dos métodos diferentes. Uno de ellos consiste en reducir el mineral en hornos eléctricos con carburo de calcio u otros reductores. En el otro método, el magnesio metálico se obtiene en dos fases: cloruración del mineral (magnesia, dolomía o giobertita) y electrólisis electr ólisis a 700°C del cloruro fundido. fundi do. El metal se acumula en la superficie superfi cie del baño y el cloro desprendido se recoge y se aprovecha en la fase de cloruración.









Propiedades mecánicas del magnesio El magnesio puro tiene poca resistencia mecánica y plasticidad, su poca plasticidad es debida a que su red es hexagonal y posee pocos planos de deslizamiento. Las bajas propiedades mecánicas excluye la posibilidad de utilizarlo en estado puro como material estructural, pero aleado y tratado térmicamente puede mejorar sus propiedades mecánicas. Como el más liviano metal estructural disponible, la combinación de baja densidad y buena resistencia mecánica de las aleaciones de magnesio resulta en una alta relación resistencia-peso. Sobre esta base, es comparable con la mayoría de los materiales estructurales comunes. Entre los aleantes mas comunes el aluminio y el zinc se introducen para elevar la resistencia mecánica, el manganeso para elevar la resistencia a la corrosión y afinar el tamaño de grano, para esto último se pueden utilizar el circonio y los metales de las tierras raras, el berilio se utiliza para disminuir la tendencia a la inflamación durante la colada. Debido a su bajo módulo de elasticidad, las aleaciones de magnesio pueden absorber energía elásticamente. Combinado con tensiones moderadas, esto provee excelente resistencia al rayado y alta capacidad de amortiguamiento. El magnesio aleado posee buena resistencia a la fatiga y se comporta particularmente bien en aplicaciones que involucran un gran número de ciclos de tensiones relativamente bajas. Sin embargo, el metal es sensible a la concentración de tensiones, por lo que deberían evitarse muescas, aristas agudas y cambios abruptos de d e sección. Las partes de magnesio son generalmente utilizadas a temperaturas temperatura s que varían desde la ambiente hasta los l os 175°C . Algunas aleaciones pu eden ser usadas en ambientes de servicio de hasta h asta 370°C por breves exposiciones. e xposiciones. A temperaturas elevadas se oxida intensamente e incluso se inflama espontáneamente. Las piezas fundidas tienen una resistencia compresiva prácticamente igual a la tensión de fluencia a la tracción, mientras que en las aleaciones para forja la resistencia a la compresión es considerablemente menor que la fluencia de tracción. Las aleaciones para forja poseen un mayor alargamiento a la rotura, una mayor tensión de rotura y una mayor resistencia a la fatiga. A pesar de una amplia variación de la dureza con los distintos aleantes, la resistencia a la abrasión varía sólo en un 15 a 20%. Para proteger lugares o zonas de la pieza expuestas a gran roce, se suelen colocar insertos de acero, bronce, o materiales no metálicos. Pueden utilizarse para bujes de poca carga, bajas velocidades, bajas temperaturas y buena lubricación. En la curva de fatiga se observa que esta se torna paralela al eje entre los 10 y 100 millones de ciclos. El trabajado en frío de las zonas superficiales proclives a fallar por fatiga genera tensiones de compresión residuales que ayudan a mejorar la resistencia a la fatiga. En estas aleaciones al disminuir la temperatura aumenta la tensión de rotura, tensión de fluencia, y dureza, al tiempo que disminuye la ductilidad. El aumento de la temperatura tiene un efecto adverso sobre la tensión de rotura y de fluencia, mientras que con la aleación magnesio-aluminio-zinc disminuye el módulo elástico, efecto que se atenúa en aleaciones con torio.











Especificaciones en Aleaciones de magnesio. Las aleaciones base magnesio son designadas generalmente por dos letras mayúsculas que representan los dos aleantes principales, la primera indica el de concentración más alta. En la Tabla 2 se señalan las letras y los elementos más empleados en estas aleaciones. Dos números siguen a estas letras, cada uno representa el contenido porcentual de los elementos señalados, por ejemplo, la aleación ZH31 tiene como aleante principal cinc (letra Z), el primer número indica que este elemento está en un 3%, además la aleación contiene torio (letra H) en un 1%. Además de las primeras dos letras y dos dígitos, si después se incluye una letra, esta expresa que la composición ha sido modificada, la misma letra indica el elemento que ha sido alterado. Frecuentemente los elementos Al y Zn están presentes en las aleaciones base magnesio para forja y también en las de colada. Torio y circonio se emplean en aleaciones base magnesio para uso a mayores temperaturas. Las designaciones para el grado de endurecimiento en estas aleaciones son las mismas empleadas en las Aleaciones de Aluminio y se agregan después de las especificaciones de composición.

Elemento

Letra asignada

Elemento

A

Aluminio

M

B C D

Bismuto Cobre Cadmio tierras raras Hierro Magnesio Torio Fósforo Circonio Berilio

N Q P

Letra Asignada manganes o níquel plata plomo

R

cromo

S T V W Y Z

silicio estaño arsénico Itrio antimonio cinc

E F G H J K L









Endurecido por deformación parcialmente recocido Endurecido por deformación y H3 estabilizado Tratamiento térmico de W solución Tratamiento térmico para T estabilizar F,O o H Tratamiento térmico de T3 solución y trabajo en frío Tratamiento térmico de T4 solución T5 Sólo artificialmente artificial mente envejecido Tratamiento térmico de T6 solución y envejecimiento artificial Tratamiento térmico de T8 solución, trabajado en frío y envejecido artificialmente artificialmente Tratamiento térmico de solución, envejecido T9 artificialmente y trabajado en frío Envejecido artificialmente y T10 trabajado en frío Tabla 3. Designaciones de algunos de los Tratamientos Térmicos empleados en aleaciones base Mg. H2

Frecuentemente, las aleaciones de Magnesio son clasificadas en Aleaciones de Colada o para Forja, en la Tabla 3 se presentan algunos de los tratamientos térmicos más comunes junto a algunas aleaciones de estos dos grandes grupos.









Aplicaciones. La principal característica de estas aleaciones es que proporcionan una adecuada resistencia mecánica para aplicaciones donde el peso de la pieza es un factor fundamental. Una de las más empleadas en la fabricación de caja de cambios de helicópteros, componentes de aeronaves y equipo militar en general, es la aleación ZE41A-T5, comercialmente conocida como "ZR5". Nótese que la composición de esta aleación involucra cinc (letra Z) y tierras raras (letra E), las siglas ZR5 no están relacionadas con la composición de esta aleación. Esta aleación es además, ampliamente usada en la industria automotriz, especialmente en vehículos de alta velocidad. Con similares características se encuentra la aleación EZ33A-T5 o también llamada ZRE1, empleada en componentes donde la resistencia al creep es requerida, con un menor contenido de cinc y un mayor contenido de tierras raras, con respecto a ZR5, ZR1 es mucho menos versátil y de aplicaciones más específicas. Otra aleación interesante es la WE43AT6, comercialmente conocida sólo como WE43, además de circonio y tierras raras, contiene Ytrio (3,7-4,3%) y su principal característica es la de retener en forma excelente, sus propiedades a elevadas temperaturas. Por esta razón y debido a que sus propiedades mecánicas son superiores a la RZ5, esta aleación ha sido seleccionada para helicópteros como Eurocopter EC120, Sikorsky S92 y MD500, entre otros.

Aleaciones de Colada

Tratamiento Térmico

Aleaciones para Forja

Tratamiento Térmico

AM100A AZ63A EQ21A HK31A HZ32A

T4, T5, T6 T4, T5, T6 T6 T6 T5

AZ80A HM21A HM31A ZC71A ZK60A

T5 T5, T8 T5 F, T5, T6 T5

QE22A QH21A WE43A

T6 T6 T6









Aleación ZE41A-T5 (RZ5)

Las propiedades óptimas para esta aleación, cuya composición nominal se muestra en la Tabla 5, se obtienen en la condición T5, después de 2 horas a 330ºC seguidas por 10 a 16 horas a 170-180ºC. Propiedades satisfactorias se obtienen calentando entre 1 y 6 horas a temperaturas del orden de 325 a 360ºC. En ambos casos no se requiere de enfriamiento en agua. Las propiedades mecánicas típicas se muestran en la tabla 5 y en la figura 3. Elemento

Contenido Porcentual

Zn

3,5-5,0

Tierras Raras

0,8-1,7

Zr Mg

0,4-1,0 balance

Propiedad

Valor

Densidad Módulo de elasticidad Razón de Poisson Dureza Brinell

1.84 1.84 gr/ gr/cm cm 44 GPa 0.35 55-70

Tabla 5. Composición Química RZ5 (o ZE41A-T5) y algunas de sus Propiedades Físicas.











































Aleaciones AM60B y AM50A.

Son aleaciones ampliamente empleadas en la industria automovilística, electrónica y de telecomunicaciones, al igual que la AZ91D, sus composiciones se muestran en la Tabla 7. En la actualidad, vehículos como Audi A2, A4 y A6 contienen aproximadamente 14 kg de estas aleaciones de magnesio que ha reemplazado a las de aluminio. En fórmula 1, una de las aleaciones de magnesio de mayor éxito ha sido la anteriormente mencionada "RZ5" empleada para la fabricación de cajas de cambio. La WE54 también ha tenido gran éxito en este campo. Aleante Aluminio % Manganeso % Zinc % Silicio % Cobre % Níquel % Hierro % Berilio % Otros %

AZ91D 8,5 - 9,5 0,17 - 0,3 0,45 - 0,9 0,05 máximo 0,025 máximo 0,001 máximo 0,004 máximo 0,0005 - 0,0015 0,01 máximo

AM50A 4,5 - 5,3 0,28 - 0,50 0,20 máximo 0,05 máximo 0,008 máximo 0,001 máximo 0,004 máximo 0,0005 - 0,0015 0,01 máximo

AM60B 5,6 - 6,4 0,26 - 0,50 0,20 máximo 0,05 máximo 0,008 máximo 0,001 máximo 0,004 máximo 0,0005 - 0,0015 0,01 máximo

Propiedades Físicas Densidad 3 gr/mc

1,81

1,79

1,78









Endurecimiento por Precipitación en las Aleaciones Binarias de Magnesio. Para las aleaciones de magnesio, el principal proceso empleado para mejorar sus propiedades mecánicas es el de endurecimiento por precipitación. Tres de los sistemas binarios más interesantes en los que se cumplen las condiciones requeridas para este proceso son: Mg-Al, Mg-Zn y Mg-Y. Los diagramas de fase se pueden ver en las figuras 7, 8 y 9, junto con durezas que se pueden obtener en función del tiempo de envejecimiento. Las condiciones que reúnen estos sistemas, al igual que todos aquellos donde es posible endurecer por precipitación, son las siguientes: -

La solubilidad en estado sólido, aumenta con la temperatura.

-

La velocidad de enfriamiento es lo suficientemente suficientemente rápida como para evitar evitar la transformación de fases que conduce a las fases de equilibrio.

-

El precipitado precipitado es altamente coherente con la matriz, de de tamaño tamaño pequeño y se encuentra homogéneamente distribuido en la matriz.

A continuación de presentan los diagramas de fase y gráficos de endurecimiento en función de la temperatura de distintas parejas, Mg-Al, Mg-Y y Mg-Zn

Mg-Al, Diagrama de fases











Mg-Al, Curvas de endurecimiento









Mg-Y, Curvas de endurecimiento









Mg-Zn, Curvas de endurecimiento









Conclusiones: •

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Las aleaciones de Mg son muy útiles cuando se necesita necesita un bajo peso y una alta resistencia mecánica. Es un metal muy abundante en la corteza corteza terrestre, pero no siempre es sencilla su extracción. Dentro de las propiedades, como buenas, se destacan destacan la buena resistencia resistencia a fatiga, y sobre todo baja densidad (alta resistencia-peso), como malas, la baja resistencia a altas temperaturas y alta reactividad en estado líquido o polvo. Se debe tener en cuenta, a la hora de diseñar con aleaciones de Mg, que las secciones resistentes resistentes serán mayores para iguales fuerzas aplicadas, ya que tiene resistencia y tensiones de fluencia flu encia bajas. El Mg como metal puro tiene propiedades mecánicas pobres y es poco deformable, en la práctica se utiliza aleado y con tratamientos térmicos. Hemos visto visto que básicamente el Mg se obtiene de la reducción de minerales de Mg, típicamente en hornos o mediante electrólisis. Las utilizaciones están dirigidas a aplicaciones donde se requiere poco

Magnesio y Sus Aleaciones

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