Todo sobre el aluminio para la fabricación: una mirada más de cerca al metal que está a nuestro alrededor

Hay muchos materiales, pero pocos son tan importantes para nuestra vida diaria como el aluminio. Desde la lata de refresco que tienes en la mano hasta el cuerpo de un avión, este asombroso metal está en todas partes. Aún así, muchos en la industria no comprenden completamente el largo viaje que realiza este material, desde una roca marrón rojiza hasta una pieza fuerte y cuidadosamente elaborada. Por eso escribí este artículo. Vamos a mostrarte toda la historia del aluminio para la fabricación. Explicaré cómo lo obtenemos del suelo, el proceso químico y eléctrico detallado utilizado para limpiarlo y cómo lo transformamos en la amplia gama de productos que utilizamos todos los días. Si quieres entender las razones de uno de los materiales más útiles y comunes en la ingeniería, esto vale tu tiempo.

¿Qué es el aluminio y por qué es tan útil?

En mi experiencia, el mejor lugar para comenzar es siempre con lo básico. El aluminio es el metal más común en la capa exterior de la Tierra, representando aproximadamente el 8% de su peso total. Pero nunca encontrarás un trozo de aluminio puro en el suelo. Siempre está atrapado en minerales, más a menudo en un mineral llamado bauxita. Lo que hace que el aluminio sea tan valioso para cada fabricante e ingeniero es su mezcla especial de características. En primer lugar, está su bajo peso. Pesa un tercio de lo que pesa el acero, lo cual es una gran ventaja cuando intentas hacer cosas que se mueven, como coches y aviones. Esta cualidad ligera, combinada con su potencial de alta resistencia, le da una gran relación resistencia-peso.

Pero las cosas buenas no terminan ahí. Una de las características más sorprendentes del aluminio es cómo combate naturalmente el óxido. Cuando el aluminio está al aire libre, rápidamente crea una capa delgada, fuerte y transparente de óxido de aluminio en su superficie. Esta capa de óxido funciona como un escudo protector, evitando que el metal debajo se oxide como el hierro o el acero. Esta protección incorporada hace que el aluminio sea una opción duradera para la construcción en exteriores, los marcos de ventanas y los usos cerca del océano. Además, el aluminio es muy bueno para transportar calor y electricidad y tampoco es dañino y es fácil de reciclar, lo que no solo es bueno para la tierra sino también para ahorrar dinero. Se necesita solo el 5% de la energía para reciclar aluminio que para fabricarlo a partir de materiales nuevos. Esta capacidad de ser utilizado de muchas maneras es la razón por la que su aplicación es tan común.

¿Cómo obtenemos el aluminio? El primer paso en el proceso de fabricación

El camino para fabricar un producto de aluminio terminado comienza en las profundidades de la tierra. La principal materia prima para fabricar aluminio es el mineral de bauxita, una roca similar a la arcilla. No encontrarás esto en todas partes; alrededor del 90% de la bauxita del mundo se encuentra en partes cálidas del mundo. La primera parte del proceso de fabricación es extraer este mineral. Debido a que la bauxita generalmente está cerca de la superficie, se extrae a través de la minería a cielo abierto. Esto significa limpiar el suelo y utilizar grandes máquinas como excavadoras y excavadoras para desenterrar la bauxita.

Una vez que se extrae, la bauxita cruda no está lista para ser utilizada. Es solo 30-60% de óxido de aluminio (también llamado alúmina), y el resto es una mezcla de cosas no deseadas como óxidos de hierro (que le dan a la bauxita su color rojo) y sílice. Para llegar al buen aluminio, primero necesitamos limpiar la bauxita para eliminar este material no deseado. El mineral crudo se lleva a una planta de procesamiento donde se lava, tritura y muele hasta obtener una forma más uniforme, preparándolo para el siguiente paso importante. Este primer paso es muy importante para el buen funcionamiento del siguiente proceso químico. El objetivo es separar el óxido de aluminio y producir un polvo blanco fino y puro llamado alúmina.

¿Qué es el Proceso Bayer para Refinar el Aluminio?

Ahora, aquí es donde se pone interesante. Para separar el óxido de aluminio puro de las cosas no deseadas en la bauxita, utilizamos un método llamado proceso Bayer, creado por Carl Josef Bayer en 1888. Siempre he pensado que este proceso era un truco químico inteligente. La bauxita triturada se mezcla con un líquido caliente de sosa cáustica (hidróxido de sodio) dentro de grandes tanques de alta presión. El calor y la presión hacen que el hidróxido de sodio disuelva las partes que tienen aluminio, creando un líquido de aluminato de sodio.

Lo importante es que los otros materiales en la bauxita, como los óxidos de hierro y otras cosas no deseadas, no se disuelven en la sosa cáustica. Esto nos permite separarlos. La mezcla se envía a tanques de sedimentación donde estos sólidos sobrantes, llamados "barro rojo", se hunden hasta el fondo y se eliminan con un filtro. Después de filtrar, el líquido sobrante rico en aluminio se enfría y se bombea a altos tanques de sedimentación. Aquí, se colocan pequeños cristales semilla de hidróxido de aluminio, lo que ayuda a que el hidróxido de aluminio disuelto se convierta en un sólido y salga del líquido como cristales sólidos. Finalmente, estos cristales se calientan en grandes hornos a más de 960°C para eliminar el agua, lo que deja un polvo blanco, fino y arenoso: óxido de aluminio puro, o alúmina.

¿Cómo crea el proceso Hall-Héroult aluminio puro?

Una vez que tenemos nuestro polvo de alúmina pura, todavía nos queda un gran paso antes de tener metal de aluminio utilizable. La alúmina es óxido de aluminio (Al₂O₃), lo que significa que tiene átomos de oxígeno que están químicamente adheridos al aluminio. Para obtener aluminio puro, tenemos que romper esa fuerte conexión. Esto se hace utilizando otro método inteligente llamado proceso Hall-Héroult, que fue creado por dos inventores diferentes, Charles Hall y Paul Héroult, en 1886. Este proceso es el único método a gran escala utilizado para fabricar aluminio nuevo en la actualidad.

En este proceso, la alúmina se disuelve en criolita fundida (un mineral de fluoruro de aluminio y sodio) dentro de un gran contenedor de acero revestido de carbono llamado cuba. La criolita fundida hace que se derrita a una temperatura más baja, lo que ayuda a que el proceso utilice menos energía. Se envía una fuerte corriente eléctrica a través de este líquido. El revestimiento de carbono de la cuba actúa como el extremo negativo (cátodo), mientras que grandes bloques de carbono en el líquido actúan como los extremos positivos (ánodos). La fuerte corriente eléctrica inicia una reacción química, rompiendo la conexión entre el aluminio y el oxígeno en la alúmina. Los átomos de oxígeno van a los ánodos de carbono, produciendo dióxido de carbono, mientras que el aluminio puro fundido más pesado se hunde hasta el fondo de la cuba, donde se puede drenar. El metal que se fabrica es aproximadamente 99.8% puro.

¿Son todos los tipos de aluminio iguales? Una mirada a las aleaciones

Si bien el aluminio puro es útil para algunas cosas, como cables eléctricos o papel de aluminio, generalmente es demasiado blando para la mayoría de los usos en la construcción. Aquí es donde se utiliza la idea de una aleación. En mi trabajo, comprender las pequeñas pero importantes diferencias entre las aleaciones es muy importante. Una aleación de aluminio es una mezcla de aluminio con otros elementos para mejorar una determinada característica, como la resistencia, la resistencia a la corrosión o la facilidad de corte. La elección de los elementos añadidos decide las características finales del material.

Hay dos tipos principales de aleaciones de aluminio: aleaciones de fundición y aleaciones forjadas. Las aleaciones de fundición están hechas para ser vertidas en un molde para hacer formas difíciles, como bloques de motor. Las aleaciones forjadas, por otro lado, se moldean por la fuerza en su forma final mediante procesos como el laminado, el prensado o el empuje. Estas aleaciones se agrupan en grupos, mostrados por un número de cuatro dígitos. Por ejemplo:

• Serie 1xxx: Este es aluminio puro (al menos 99% puro) y es conocido por su gran resistencia al óxido y su capacidad para transportar electricidad.
• Serie 3xxx: Aquí, el manganeso es el principal elemento añadido, que añade resistencia pero sigue siendo fácil de moldear. Encontrarás esto en una lata de refresco.
• Serie 5xxx: Se añade magnesio para crear una aleación con alta resistencia cuando se tira y una gran resistencia a la corrosión, especialmente en zonas oceánicas.
• Serie 6xxx: Estas aleaciones tienen tanto magnesio como silicio, por lo que pueden ser tratadas térmicamente para hacerlas aún más fuertes. 6061 es una de las aleaciones más utilizadas de muchas maneras y muy comunes para la construcción y los viajes.
• Serie 7xxx: Con el zinc como elemento principal, estas son las aleaciones de aluminio más fuertes, lo que las hace necesarias para usos con mucha presión como en la industria aeroespacial.

¿Cómo se logra la resistencia de una aleación de aluminio?

Una pregunta común que escucho es cómo añadir una pequeña cantidad de otro metal puede cambiar enormemente la característica del aluminio. La respuesta está en cómo estos elementos añadidos se mezclan con la diminuta estructura del aluminio. El aluminio puro tiene una estructura cristalina muy uniforme y organizada, lo que permite que las capas de átomos se deslicen unas sobre otras fácilmente, haciendo que el metal sea blando y fácil de doblar. Cuando añadimos átomos de un elemento diferente, como el cobre o el magnesio, desordenan esta estructura organizada. Estos diferentes átomos pueden ser de diferentes tamaños, creando "atascos de tráfico" en el patrón cristalino que hacen que sea mucho más difícil para las capas de átomos moverse. Esta dificultad en el movimiento es lo que sentimos como más dureza y resistencia.

Además, muchas aleaciones de aluminio, especialmente en las series 2xxx, 6xxx y 7xxx, pueden hacerse aún más fuertes a través de un proceso llamado tratamiento térmico. Esto significa calentar la aleación a una cierta temperatura para disolver los elementos añadidos en el metal principal, luego enfriarla rápidamente (enfriamiento) para bloquear esos átomos en su lugar. Finalmente, el material se envejece, ya sea a temperatura ambiente o en un horno ligeramente caliente. Durante el envejecimiento, los átomos añadidos atrapados se agrupan para formar piezas muy pequeñas que actúan como fuertes obstáculos al movimiento dentro del metal, aumentando enormemente la resistencia del metal. Esta capacidad de ajustar la resistencia hace que el aluminio sea un material de ingeniería muy útil.

¿Cuáles son las aplicaciones más comunes del aluminio?

La gran utilidad del aluminio significa que su lista de usos es muy larga. En mis años de escritura, lo he visto utilizado en casi todas las industrias. Su bajo peso y resistencia lo convierten en una parte clave de la industria del transporte. Los coches utilizan aluminio para bloques de motor, ruedas y paneles de carrocería para obtener un mejor rendimiento de la gasolina. En la industria aeroespacial, las aleaciones de aluminio son necesarias para construir el cuerpo y las alas de los aviones, donde ahorrar cualquier peso es importante. El uso común de este metal muestra lo útiles que son sus características.

La industria de la construcción utiliza aluminio para marcos de ventanas y puertas, techos y paneles de pared exteriores debido a su resistencia a la corrosión y su larga vida útil. En el embalaje, el aluminio se utiliza para fabricar la lata de bebida común y el envoltorio flexible de papel de aluminio que mantiene seguros los alimentos y los medicamentos. Su gran capacidad para mover el calor lo hace perfecto para ollas y sartenes y para disipadores de calor en electrónica, mientras que su gran capacidad para transportar electricidad es la razón por la que se utiliza en las líneas eléctricas. Incluso las cosas de la casa, desde escaleras hasta muebles, son mejores gracias al acabado ligero y limpio del aluminio. La lista de aplicaciones sigue creciendo a medida que se crean nuevas aleaciones y formas de hacer las cosas.

¿Cuál es el proceso para formar piezas de aluminio?

Una vez que tenemos la aleación de aluminio correcta en forma de un gran bloque o barra, necesitamos darle forma a un producto útil. Hay varias formas principales de fabricar piezas de aluminio, cada una buena para diferentes usos y formas. Los tres más comunes son la extrusión, el laminado y la fundición.

• Extrusión: Este es un proceso muy bueno donde una barra de aluminio calentada es empujada por una prensa fuerte a través de un agujero con forma en una matriz de acero. Piensa en ello como exprimir pasta de dientes de un tubo. Este método se utiliza para crear piezas largas con la misma forma en todo el recorrido, como marcos de ventanas, rieles de puertas y vigas de soporte.
• Laminado: Para hacer cosas planas como láminas, placas y papel de aluminio, un lingote de aluminio se envía una y otra vez a través de pares de rodillos pesados que hacen que el metal sea más delgado y largo cada vez. Así es como obtenemos la lámina de metal delgada para la carrocería de un coche o el papel de aluminio muy delgado para tu cocina.
• Fundición: Para formas difíciles en 3D, la fundición es la mejor manera. Esto significa verter aleación de aluminio fundido en un molde. Hay varios métodos, incluyendo la fundición a presión, donde el metal fundido se empuja con alta presión en una matriz de acero, haciendo piezas de aluminio muy detalladas y exactas como piezas de coche. La fundición en arena es otra forma donde se utiliza un molde de arena para crear la forma deseada.

¿Cómo podemos acabar y proteger los productos de aluminio?

Si bien el aluminio tiene una gran protección natural contra el óxido, hay muchos usos donde su superficie necesita ser mejorada para durar más, verse mejor o hacer un trabajo especial. Aquí es donde se utilizan los pasos de acabado. Un fabricante puede elegir entre diferentes opciones para obtener el aspecto y la calidad que desea.

Uno de los métodos más comunes es el anodizado. Este es un proceso que utiliza electricidad y productos químicos que hace a propósito que la capa de óxido natural en la superficie del aluminio sea más gruesa. Esto hace que la superficie sea mucho más dura, duradera y mejor para combatir la corrosión. La estructura esponjosa de la capa anodizada también se puede colorear para hacer un acabado colorido que dura mucho tiempo. Otra opción popular es el recubrimiento en polvo, donde se aplica una pintura seca en polvo utilizando electricidad estática a la pieza de aluminio y luego se endurece con calor. Esto crea un acabado fuerte y de buen aspecto que es muy difícil de astillar o desvanecer. Para otros usos, se pueden utilizar acabados físicos como el esmerilado, el pulido o el granallado con pequeñas cuentas para obtener diferentes aspectos, desde un brillo suave hasta un acabado de espejo.

¿Por qué es tan importante la aplicación del aluminio en la industria aeroespacial?

Quiero compartir una reflexión final sobre el sector aeroespacial, ya que es quizás el mejor ejemplo de lo que el aluminio puede hacer. En una industria donde el bajo peso está directamente conectado a lo bien que funciona algo, el aluminio es la mejor opción. Hasta el 80% del marco de un avión moderno está hecho de aleaciones de aluminio de alta resistencia. La razón por la que se utiliza tanto es simple: ningún otro material ofrece una mezcla tan grande de rigidez, capacidad para manejar daños y bajo peso a un buen precio.

Las aleaciones de las series 2xxx y 7xxx son especialmente importantes. Las aleaciones como la 2024 se utilizan para el cuerpo principal de los aviones porque son excelentes para resistir el desgaste por estrés repetido, mientras que las aleaciones de alta resistencia como la 7075 se utilizan para piezas importantes como la capa exterior de las alas y las vigas de soporte. El proceso de fabricación para estas piezas aeroespaciales es muy exacto y necesita controles de calidad perfectos. La capacidad de producir piezas de aluminio grandes, ligeras y fuertes a través de la extrusión y el laminado permite a los ingenieros diseñar aviones que sean eficientes y seguros. Las nuevas mejoras en el desarrollo de aleaciones de aluminio son una gran razón para las mejoras en la industria aeroespacial, haciendo posible tener aviones más ligeros, rápidos que utilizan menos combustible. La aplicación común del aluminio es realmente lo que hace posibles los aviones modernos.

Things to Remember

• Aluminio comienza como bauxita mineral, que debe ser excavado y luego limpiado.
• El Bayer proceso utiliza un químico líquido y calor para limpiar bauxita y convertirlo en alúmina (óxido de aluminio).
• El Hall-Héroult proceso utiliza electricidad para separar aluminio puro del oxígeno en alúmina.
• Aluminio puro a menudo se mezcla con otros elementos para crear un aleación con una característica especial, como más fuerza o mejor resistencia al óxido.
• Las características especiales de aluminio—bajo peso, fuerzay corrosión resistencia, lo convierten en un útil material que se puede utilizar de muchas maneras, en todo, desde aviones hasta edificios y embalajes.
• Aluminio se puede moldear en un final producto utilizando métodos como la extrusión, el laminado y fundición.
• Los pasos de acabado como el anodizado y el recubrimiento en polvo se pueden utilizar para mejorar cuánto dura y cómo se ve.