Aluminio que nos rodea
Desde el punto de vista del diseño, la elección del material para la realización de una pieza o componente depende de diferentes variables. Para facilitar el análisis de estas variables se considerarán divididos en dos grupos. En el primer grupo se tienen en cuenta una serie de condiciones relacionadas con las características que debe tener la pieza (mecánicas, eléctricas, comportamiento frente a la corrosión, etc.). En el segundo se considerarán los relacionados con el precio del material. Teniendo en cuenta estos dos grupos, se elige el material más adecuado para cada caso.
En comparación con lo que ocurre a diario, quizá lo dicho antes es demasiado simple. En muchas ocasiones los procesos de obtención del material, sus características y precio están relacionados. Algunos de estos ejemplos se encuentran en diferentes tipos de composites. Debido a que los procesos de obtención son todavía muy especiales, hay composites que son demasiado caros, por lo que su uso está bastante limitado. Por el contrario, si se utilizan cada vez más estos productos, el precio del material disminuye al aumentar la producción. Además, aunque se mantengan las características tecnológicas de las mismas sin mejorar, con la disminución del precio se aumentará la competencia frente a otros materiales. Como se ve, el proceso es cíclico.
Lo que está ocurriendo en estos momentos con los composites no es nuevo. Lo mismo sucedió con otros materiales y el caso del aluminio puede considerarse como un ejemplo de ello. En este artículo se tendrá en cuenta la evolución del aluminio. Este ejemplo será de gran ayuda para comprender los desequilibrios existentes entre la esperanza depositada en nuevos composites y materiales y su todavía escasa utilización.
Desde los utensilios de cocina, desde las ventanas, las partes y componentes del automóvil y de los demás sistemas de transporte hasta las latas de beber, es prácticamente imposible no utilizar piezas de aluminio a lo largo del día. Sin embargo, el aluminio no es un material utilizado desde hace tiempo, ya que su historia comenzó a mediados del siglo pasado.
El aluminio no permanece libre en la naturaleza y no se conoció hasta principios del siglo pasado. En la década de los 20 el investigador alemán Friedrich Wöhler obtuvo los primeros glóbulos de aluminio. Sin embargo, todavía no había roto el camino tecnológicamente y se tardaron 30 años en comercializarlo. En 1854, el químico francés Sainte-Claire Deville comenzó a obtener comercialmente las barras de aluminio mediante el tratamiento del cloruro de aluminio con potasio (que se sustituyó por el sodio más barato) y al año siguiente se presentó como nuevo producto en la Exposición de París.
Por el procedimiento empleado por Deville el aluminio era muy caro y en aquella época ese nuevo material se consideraba como plata. Esto hizo que en los próximos 30 años la producción mundial anual no alcanzara las tres toneladas. En aquella época los problemas para producir más cantidad no eran tecnológicos sino económicos. El precio del aluminio era tan alto que su uso era muy limitado. Sin embargo, en aquella época los investigadores consideraban que era un material de gran futuro (esta historia se está repitiendo con nuevos composites y aleaciones).
Para bajar el precio del aluminio había que inventar otro camino de logro, que no se hizo hasta 1886. Ese año y de forma independiente, el norteamericano Charles Martin Hall y el francés Paul Louis Toussaint Héroult inventaron simultáneamente un procedimiento electrolítico para obtener aluminio. El óxido de aluminio (alúmina) disuelto en el mineral denominado crriolita, se descompone mediante la aplicación de aluminio y oxígeno a altas temperaturas mediante una corriente eléctrica. El procedimiento Hall/Héroult se ha utilizado hasta la fecha y, como es evidente, la importancia de la electricidad es muy elevada. Por tanto, el desarrollo del aluminio dependía de la evolución de otro tipo de tecnología. No fue posible tener en cuenta el procedimiento electrolítico hasta que la electricidad se pudiese utilizar de forma barata y abundante. En la actualidad, para obtener una tonelada de aluminio se necesitan entre 15 y 18 MWh.
Este nuevo procedimiento permitió una importante reducción del precio del aluminio (ver figura), aunque la venta era muy limitada. Hall puso en marcha una fábrica en la ciudad de Pittsburgh para producir aluminio, pero pronto se dio cuenta de que se estaba acumulando en la fábrica sin vender el metal. En aquella época el mejor cliente era la siderurgia de Pittsburgh. Los técnicos de esta industria se dieron cuenta de que las características de un acero en estado líquido mejoraban con la adición de aluminio. Sin embargo, como en una tonelada de acero se necesita muy poca cantidad de aluminio, es evidente que con este uso el mercado del aluminio era bastante reducido (parece sorprendente que la siderurgia fuera una de las primeras del aluminio; ahora en muchos aspectos existe una fuerte competencia entre el acero y el aluminio (por supuesto, las aleaciones de aluminio).
En consecuencia, el abaratamiento del metal mediante la modificación del procedimiento de obtención era una condición indispensable, pero sin embargo no se había confirmado que con ello se iba a expandir su uso. Para ello había que buscar nuevos mercados y dar respuesta a los nuevos problemas tecnológicos que se planteaban en cada caso.
Para crear nuevos mercados había que tener en cuenta las características del aluminio. Las características más importantes son: baja densidad (se considera un metal ligero), buen comportamiento frente a la corrosión, buen conductor eléctrico, adecuado para el conformado (es decir, para dar formas especiales) y buenas resistencias mecánicas aleando con otros metales (en la mayoría de las aplicaciones el aluminio está aleado con otros elementos).
Teniendo en cuenta estas características, es fácil comprender la difusión del aluminio XX. Está relacionado con las nuevas tecnologías del siglo XX. Su densidad es baja, por lo que desde el primer momento del fuselaje de aviones apareció como material idóneo. Gracias a sus características eléctricas y densidad, los cables en aire de alta tensión utilizados para transportar electricidad son de aluminio. Por tanto, la difusión del uso del aluminio no puede entenderse sin el desarrollo de otras tecnologías o avances.
La tecnología de desarrollo de aluminio (nuevas aleaciones, tratamientos térmicos, procedimientos de unión, etc.) se ha relacionado en gran medida con la aeronáutica. En este campo este material ha estado dominado hasta hace poco (de cara al futuro hay composites cada vez más disponibles). Sin embargo, la difusión del aluminio en otros sistemas de transporte no ha sido tan amplia. Un ejemplo de estos es el de los automóviles.
Como se ha mencionado anteriormente, la aparición de una nueva aplicación genera en muchas ocasiones nuevos problemas tecnológicos. Esto sucede cuando se trata de fabricar en aluminio la mayor parte de las piezas y componentes posibles para reducir el peso del automóvil. Es decir, para reducir peso no se puede hacer directamente la pieza que hasta ahora era de acero en aluminio, aunque se ha elegido la aleación de aluminio adecuada para mantener la resistencia. Entre los problemas que se pueden destacar se encuentran los procedimientos y herramientas de conformado de chapa, la calidad final de la superficie, la soldadura entre diferentes materiales y la corrosión. Teniendo en cuenta todo ello, hace poco Honda ha editado una versión especial del NSX. En la versión tradicional el porcentaje de aluminio no superaba el 7%, pero con el objetivo de reducir peso, con el uso de aluminio en la carrocería el porcentaje de este material se elevó al 31%, disminuyendo así el peso de la carrocería en 140 kg.
Para el lanzamiento de esta versión se desarrolló un nuevo diseño de carrocería, teniendo en cuenta que las características mecánicas del aluminio (es decir, las aleaciones de aluminio) son muy diferentes a las del acero (resistencia, rigidez, dificultad). Además, el conformado de las planchas de acero está muy trabajado. Por el contrario, las conformaciones de las planchas de aluminio son relativamente nuevas (la extrusión de aluminio se domina muy bien, pero no ocurre lo mismo con otros procesos de obtención), por lo que el forjado de aluminio antes de construir el automóvil fue estudiado en profundidad por Honda. Lo mismo puede decirse del resto de problemas (calidad final de chapa, precisión dimensional, soldadura, etc.).
Tras el lanzamiento de este nuevo coche de aluminio, los técnicos de Hondako aseguran que todavía quedan muchos problemas por resolver. Las facilidades de conformación de las planchas de acero no pueden compararse con las características del aluminio y para poder competir en el campo de la producción es necesario adaptar los equipos de forja (máquinas, matrices, lubricantes, etc.).
Sin embargo, el mayor problema del aluminio para su uso en carrocerías de automóviles no es tecnológico sino económico. El precio de las planchas de acero respecto al de aluminio es mucho más barato. Por lo tanto, en este caso también es como ocurría con otras aplicaciones anteriores. En consecuencia, en los próximos años no parece que se produzca un cambio significativo en esta materia.
Para finalizar, hay que tener en cuenta una característica importante que hasta ahora no se ha destacado: el aluminio es un material reciclable. Como consecuencia de los mandatos de la Unión Europea, en algunos casos la selección de materiales se realiza teniendo en cuenta su capacidad de reciclaje. Desde este punto de vista, el aluminio es un material muy apropiado. Tras su recogida en vertederos, debido a su baja temperatura de fusión (que no alcanza los 700ºC), el uso de chatarra de aluminio es relativamente barato. Por el contrario, en comparación con el acero, el metal magnético no es más difícil de recoger en vertederos.
En resumen, a lo largo del artículo se ha tenido en cuenta la evolución del aluminio más utilizado entre los metales tras el acero. A pesar de que en la práctica diaria muchas piezas son de aluminio (o incluso en algunos componentes), su desarrollo depende de otras tecnologías y factores. Entre otras cosas, hay que mencionar las variaciones en el precio de la energía (debido a la gran cantidad de energía que se necesita para obtener el aluminio, el incremento en el precio del mismo hace que aumente considerablemente el precio del aluminio).
En otros casos, el uso de aluminio implica cambios y replanteamientos desde el punto de vista del diseño de la pieza y de los procedimientos de elaboración del material. Como se ha visto en el ejemplo del automóvil, para ello se necesita mucho trabajo. En gran medida, lo mismo está sucediendo en los últimos años con los nuevos materiales denominados composites. Con los composites, sobre todo, pero el uso de materiales cerámicos requiere en muchos casos la adaptación de equipos y diseños en el campo de la producción, lo que requiere necesariamente un tiempo.
Aplicaciones del aluminio Aplicaciones eléctricas: su conductividad eléctrica es del 65% en comparación con el cobre, pero su menor densidad y precio lo convierte en el material más adecuado para formar redes eléctricas de gran distancia. En la actualidad, la mitad de la electricidad se transporta a través del aluminio. Industrias químicas: su comportamiento frente a la corrosión es muy bueno, por lo que se trata de un material de procesado y envasado de alimentos, más barato que el acero inoxidable (en muchos casos se considera que el uso más importante del aluminio es el aeronáutico y así es desde el punto de vista de las características del material. Sin embargo, la mitad de la producción de Alcola, el mayor productor de aluminio del mundo, está destinada a la fabricación de latas para beber. Aplicaciones estructurales: la resistencia/peso/relación de algunas aleaciones de aluminio es muy buena para sustituir a otros tipos de materiales en estructuras. Además, su comportamiento frente a la corrosión hace que los costes de mantenimiento sean muy bajos. Para estas aplicaciones se utilizan aleaciones Al/Mg/Si y Al/Mg/Si/Mn. Por otro lado, mediante la extrusión se pueden obtener geometrías especiales, como por ejemplo las secciones especiales utilizadas en las ventanas de aluminio. Dentro de este grupo se pueden considerar ventanas, barandillas de balcón, mamparas, etc. Transporte: en la construcción de trenes, tanto en estructuras como en diferentes componentes internos (puertas, barras de depósito de maletas, ...), el aluminio se utiliza desde hace tiempo gracias a su baja densidad. En los automóviles también se utiliza aluminio para reducir peso en ciertos componentes (pistones, carters, etc.) y en otras aplicaciones porque su conductividad térmica es buena (bloques, culatas). Sin embargo, aunque el valor de su densidad sea muy interesante, sustituyendo el acero en las carrocerías para ser el material principal, todavía no se considera una alternativa real. Aeronáutica: el desarrollo del aluminio se debe en gran medida a la industria aeronáutica. Las aleaciones con cobre, cuya resistencia mecánica es elevada gracias a los tratamientos térmicos, han sido utilizadas con gran frecuencia en los aviones. Sin embargo, en los próximos años algunos composites pueden sustituir a un gran número de aluminio de los aviones. Sin embargo, en la última década se están desarrollando nuevas aleaciones Al/Li, lo que permite al aluminio mantener su importancia en este campo (el avión europeo Airbus 320, además de aleaciones de aluminio de alta resistencia convencional, está dotado de nuevas aleaciones Al/Li). |
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