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El Magnesio (Mg) y sus aleaciones
Trabajo prctico de Materiales Metlicos ETSEIB-UPC
Barcelona, mayo de 2008
ALUMNOS: BRANDSTTT, Michaela LOPEZ CARRANZA, Santiago Nicols
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
til en aplicaciones donde se requieren resistencia mecnica y poco
peso. Se describen como es el proceso de obtencin, tratamientos
trmicos, propiedades mecnicas, principales aleantes con su
nomenclatura, sin dejar de lado las aplicaciones de las mismas que
tambin son comentadas. Se analizan las principales aleaciones del
magnesio utilizadas en aeronutica y automovilismo. Por ltimo se
describe el mecanismo de endurecimiento por precipitacin en
aleaciones de magnesio termo-envejecibles.
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Sumario
Generalidades sobre el magnesio.
............................................................................................
3
Obtencin de magnesio
..............................................................................................................
5
Propiedades mecnicas del magnesio
.....................................................................................
6
Especificaciones en Aleaciones de magnesio.
........................................................................
7
Aplicaciones.
...............................................................................................................................
9
Aleacin ZE41A-T5 (RZ5)
.........................................................................................
10 Aleacin WE-43A-T6.
................................................................................................
12
Aleaciones AM60B y AM50A.
...................................................................................
15
Endurecimiento por Precipitacin en las Aleaciones Binarias de
Magnesio. ...................... 16
Mg-Al, Diagrama de fases
.........................................................................................
16
Mg-Al, Curvas de
endurecimiento.............................................................................
17
Mg-Y, Diagrama de fases
..........................................................................................
17
Mg-Y, Curvas de endurecimiento
.............................................................................
18
Mg-Zn, Diagrama de fases
........................................................................................
18
Mg-Zn, Curvas de endurecimiento
...........................................................................
19
Conclusiones:
............................................................................................................................
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Bibliografa
.................................................................................................................................
20
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Generalidades sobre el magnesio.
El magnesio es un elemento metlico 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 metlico se produce a
partir de sus minerales por reduccin trmica del monxido de carbono,
ferrosilicio u otros reductores o bien, mediante electrlisis del
cloruro de magnesio en mezclas de sales fundidas. Como polvo, es
extremadamente reactivo pero como slido se oxida lentamente al aire
y reacciona lentamente en el agua. El magnesio es un reductor
poderoso y se emplea en la obtencin de muchos metales a partir de
sus sales: uranio y otros (titanio, etc.). Entre sus mltiples
aplicaciones est su uso como desoxidante para el cobre, el latn y
aleaciones de nquel. Tambin se aade a varias aleaciones de
aluminio. Es la base de aleaciones duras y ligeras utilizadas en la
industria automvil y aeronutica (motores). Se han investigado
aleaciones con zirconio y torio para la construccin de aviones. Su
extremadamente baja densidad (1,74 g/cm), incluso menor al aluminio
(2,70 g/cm), 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
lantnidos. Estas aleaciones poseen adems, adecuadas caractersticas
de mecanizacin, fabricacin, emplendose en diversas piezas con
aplicaciones aeronuticas y automotrices. Algunos ejemplos de piezas
en vehculos livianos son vlvulas y engranajes de distribucin,
bridas, bastidores de cajas de transmisin y embragues, radiadores,
accesos de lmparas, carcasas de motores de limpiaparabrisas y
varias partes de reguladores interiores; en Aeronutica, las
aleaciones base magnesio son ampliamente empleadas en cajas de
cambios al igual que en vehculos de carrera.
Figura 1. Caja de cambios para un helicptero hecha de una
aleacin de magnesio, tratada superficialmente como proteccin contra
la corrosin.( http://www.airforce-technology.com)
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Figura 2. (a) Caja de cambios (gearbox) y (b) mltiple (manifold)
hechos mediante fundicin, de una aleacin de magnesio
(http://www.uk-racing-castings.co.uk)
En la Tabla 1 se compara la razn entre el lmite 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.
Aleacin Densidad
gr/cm3
Lmite elstico, (MPa) Razn
Aleacin de Mg AZ80X extruda HTA 1,8 276 153
Aleacin base Al 7075 T6 2,8 497 178
Aleacin base Ti endurecida 4,5 759 169
Acero inoxidable 302, 30% trabajado en fro 7,9 966 122
Acero de alta resistencia y baja aleacin 7,9 379 48
Tabla 1. Razn entre mdulo de fluencia y densidad de algunas
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En general las propiedades mecnicas 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 lquido es tambin un problema para la
fabricacin de estas aleaciones va fusin.
Obtencin de magnesio El magnesio es uno de los elementos qumicos
ms abundantes en la naturaleza y se lo encuentra en forma de
minerales. El magnesio metlico se obtiene por dos mtodos
diferentes. Uno de ellos consiste en reducir el mineral en hornos
elctricos con carburo de calcio u otros reductores. En el otro
mtodo, el magnesio metlico se obtiene en dos fases: cloruracin del
mineral (magnesia, doloma o giobertita) y electrlisis a 700C del
cloruro fundido. El metal se acumula en la superficie del bao y el
cloro desprendido se recoge y se aprovecha en la fase de
cloruracin.
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Propiedades mecnicas del magnesio El magnesio puro tiene poca
resistencia mecnica y plasticidad, su poca plasticidad es debida a
que su red es hexagonal y posee pocos planos de deslizamiento. Las
bajas propiedades mecnicas excluye la posibilidad de utilizarlo en
estado puro como material estructural, pero aleado y tratado
trmicamente puede mejorar sus propiedades mecnicas. Como el ms
liviano metal estructural disponible, la combinacin de baja
densidad y buena resistencia mecnica de las aleaciones de magnesio
resulta en una alta relacin resistencia-peso. Sobre esta base, es
comparable con la mayora de los materiales estructurales comunes.
Entre los aleantes mas comunes el aluminio y el zinc se introducen
para elevar la resistencia mecnica, el manganeso para elevar la
resistencia a la corrosin y afinar el tamao de grano, para esto
ltimo se pueden utilizar el circonio y los metales de las tierras
raras, el berilio se utiliza para disminuir la tendencia a la
inflamacin durante la colada. Debido a su bajo mdulo de
elasticidad, las aleaciones de magnesio pueden absorber energa
elsticamente. 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 nmero de ciclos de tensiones relativamente
bajas. Sin embargo, el metal es sensible a la concentracin de
tensiones, por lo que deberan evitarse muescas, aristas agudas y
cambios abruptos de seccin. Las partes de magnesio son generalmente
utilizadas a temperaturas que varan desde la ambiente hasta los
175C . Algunas aleaciones pu eden ser usadas en ambientes de
servicio de hasta 370C por breves exposiciones. A temperaturas
elevadas se oxida intensamente e incluso se inflama espontneamente.
Las piezas fundidas tienen una resistencia compresiva prcticamente
igual a la tensin de fluencia a la traccin, mientras que en las
aleaciones para forja la resistencia a la compresin es
considerablemente menor que la fluencia de traccin. Las aleaciones
para forja poseen un mayor alargamiento a la rotura, una mayor
tensin de rotura y una mayor resistencia a la fatiga. A pesar de
una amplia variacin de la dureza con los distintos aleantes, la
resistencia a la abrasin vara slo 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 metlicos. Pueden
utilizarse para bujes de poca carga, bajas velocidades, bajas
temperaturas y buena lubricacin. 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 fro de las zonas superficiales proclives a
fallar por fatiga genera tensiones de compresin residuales que
ayudan a mejorar la resistencia a la fatiga. En estas aleaciones al
disminuir la temperatura aumenta la tensin de rotura, tensin de
fluencia, y dureza, al tiempo que disminuye la ductilidad. El
aumento de la temperatura tiene un efecto adverso sobre la tensin
de rotura y de fluencia, mientras que con la aleacin
magnesio-aluminio-zinc disminuye el mdulo elstico, efecto que se
atena en aleaciones con torio.
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Especificaciones en Aleaciones de magnesio. Las aleaciones base
magnesio son designadas generalmente por dos letras maysculas que
representan los dos aleantes principales, la primera indica el de
concentracin ms alta. En la Tabla 2 se sealan las letras y los
elementos ms empleados en estas aleaciones. Dos nmeros siguen a
estas letras, cada uno representa el contenido porcentual de los
elementos sealados, por ejemplo, la aleacin ZH31 tiene como aleante
principal cinc (letra Z), el primer nmero indica que este elemento
est en un 3%, adems la aleacin contiene torio (letra H) en un 1%.
Adems de las primeras dos letras y dos dgitos, si despus se incluye
una letra, esta expresa que la composicin ha sido modificada, la
misma letra indica el elemento que ha sido alterado. Frecuentemente
los elementos Al y Zn estn presentes en las aleaciones base
magnesio para forja y tambin 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 despus de las especificaciones de
composicin.
Elemento Letra asignada Elemento
Letra Asignada
A Aluminio M manganeso
B Bismuto N nquel C Cobre Q plata D Cadmio P plomo
E tierras raras
R cromo
F Hierro S silicio G Magnesio T estao H Torio V arsnico J Fsforo
W Itrio K Circonio Y antimonio L Berilio Z cinc
Tabla 2. Simbologa empleada para Aleantes en Aleaciones Base Mg
(ASTM).
Designacin Tipo de Tratamiento
F Como se fabric (colada o forja) O Recocido, recristalizado
(slo forjados)
H Endurecido por deformacin (slo forjados)
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H2 Endurecido por deformacin parcialmente recocido
H3 Endurecido por deformacin y estabilizado
W Tratamiento trmico de solucin
T Tratamiento trmico para estabilizar F,O o H
T3 Tratamiento trmico de solucin y trabajo en fro
T4 Tratamiento trmico de solucin
T5 Slo artificialmente envejecido
T6 Tratamiento trmico de
solucin y envejecimiento artificial
T8 Tratamiento trmico de
solucin, trabajado en fro y envejecido artificialmente
T9 Tratamiento trmico de
solucin, envejecido artificialmente y trabajado en
fro
T10 Envejecido artificialmente y trabajado en fro Tabla 3.
Designaciones de algunos de los Tratamientos Trmicos empleados
en
aleaciones base Mg.
Frecuentemente, las aleaciones de Magnesio son clasificadas en
Aleaciones de Colada o para Forja, en la Tabla 3 se presentan
algunos de los tratamientos trmicos ms comunes junto a algunas
aleaciones de estos dos grandes grupos.
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Aplicaciones. La principal caracterstica de estas aleaciones es
que proporcionan una adecuada resistencia mecnica para aplicaciones
donde el peso de la pieza es un factor fundamental. Una de las ms
empleadas en la fabricacin de caja de cambios de helicpteros,
componentes de aeronaves y equipo militar en general, es la aleacin
ZE41A-T5, comercialmente conocida como "ZR5". Ntese que la
composicin de esta aleacin involucra cinc (letra Z) y tierras raras
(letra E), las siglas ZR5 no estn relacionadas con la composicin de
esta aleacin. Esta aleacin es adems, ampliamente usada en la
industria automotriz, especialmente en vehculos de alta velocidad.
Con similares caractersticas se encuentra la aleacin EZ33A-T5 o
tambin 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
verstil y de aplicaciones ms especficas. Otra aleacin interesante
es la WE43AT6, comercialmente conocida slo como WE43, adems de
circonio y tierras raras, contiene Ytrio (3,7-4,3%) y su principal
caracterstica es la de retener en forma excelente, sus propiedades
a elevadas temperaturas. Por esta razn y debido a que sus
propiedades mecnicas son superiores a la RZ5, esta aleacin ha sido
seleccionada para helicpteros como Eurocopter EC120, Sikorsky S92 y
MD500, entre otros.
Aleaciones de Colada
Tratamiento Trmico
Aleaciones para Forja
Tratamiento Trmico
AM100A T4, T5, T6 AZ80A T5 AZ63A T4, T5, T6 HM21A T5, T8 EQ21A
T6 HM31A T5 HK31A T6 ZC71A F, T5, T6 HZ32A T5 ZK60A T5
QE22A T6 QH21A T6 WE43A T6 ZC63A T6 ZE41A T5 ZH62A T5 ZK61A T4,
T6
Tabla 4. Aleaciones de Mg para colada y Forja y Principales
Tratamientos Trmicos.
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Aleacin ZE41A-T5 (RZ5) Las propiedades ptimas para esta aleacin,
cuya composicin nominal se muestra en la Tabla 5, se obtienen en la
condicin T5, despus de 2 horas a 330C seguidas por 10 a 16 horas a
170-180C. Propiedades satisfactorias se obtienen calentando entre 1
y 6 horas a temperaturas del orden de 325 a 360C. En ambos casos no
se requiere de enfriamiento en agua. Las propiedades mecnicas
tpicas se muestran en la tabla 5 y en la figura 3.
Elemento Contenido Porcentual Propiedad Valor
Zn 3,5-5,0 Densidad 1.84 gr/cm3
Tierras Raras 0,8-1,7 Mdulo de elasticidad 44 GPa
Zr 0,4-1,0 Razn de Poisson 0.35 Mg balance Dureza Brinell
55-70
Tabla 5. Composicin Qumica RZ5 (o ZE41A-T5) y algunas de sus
Propiedades Fsicas.
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Figura 3.Diversas propiedades de aleacin RZ5 (o ZE41A-T5). (a)
Propiedades en Traccin en funcin de la temperatura (b) Efecto de la
temperatura en la resistencia, creep (b.1) 100C y (b.2)
150C.
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Figura 4. Aplicaciones de la aleacin "RZ5".
Aleacin WE-43A-T6. Es una aleacin de alta resistencia dentro de
las de magnesio, de excelente resistencia a la corrosin y que adems
puede ser empleada a elevadas temperaturas, pudiendo estar expuesta
por largos periodos de tiempo a temperaturas del orden de 250C.
Elemento Contenido Porcentual Propiedad Valor
Y 3,7-4,3 Densidad 1,84 gr/cm3
Tierras Raras 2,4-4-4 Mdulo de elasticidad 44 x 10
3 MPa
Zr 0,4 min Razn de Poisson 0.27 Mg balance Dureza Vickers
85-105
Tabla 6: Composicin Qumica WE43A- T6 y algunas de sus
Propiedades Fsicas
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Figura 5. Aplicaciones de aleacin WE43A-T6.
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Figura 6. Diversas propiedades de aleacin WE43A-T6. (a)
Propiedades en Traccin en funcin de la temperatura (b) Efecto de la
temperatura en la resistencia, creep (b.1) 200C y (b.2) 250C.
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Aleaciones AM60B y AM50A. Son aleaciones ampliamente empleadas
en la industria automovilstica, electrnica y de telecomunicaciones,
al igual que la AZ91D, sus composiciones se muestran en la Tabla 7.
En la actualidad, vehculos como Audi A2, A4 y A6 contienen
aproximadamente 14 kg de estas aleaciones de magnesio que ha
reemplazado a las de aluminio. En frmula 1, una de las aleaciones
de magnesio de mayor xito ha sido la anteriormente mencionada "RZ5"
empleada para la fabricacin de cajas de cambio. La WE54 tambin ha
tenido gran xito en este campo.
Aleante AZ91D AM50A AM60B Aluminio % 8,5 - 9,5 4,5 - 5,3 5,6 -
6,4
Manganeso % 0,17 - 0,3 0,28 - 0,50 0,26 - 0,50 Zinc % 0,45 - 0,9
0,20 mximo 0,20 mximo
Silicio % 0,05 mximo 0,05 mximo 0,05 mximo Cobre % 0,025 mximo
0,008 mximo 0,008 mximo Nquel % 0,001 mximo 0,001 mximo 0,001 mximo
Hierro % 0,004 mximo 0,004 mximo 0,004 mximo Berilio % 0,0005 -
0,0015 0,0005 - 0,0015 0,0005 - 0,0015 Otros % 0,01 mximo 0,01
mximo 0,01 mximo
Propiedades Fsicas Densidad
gr/mc3
1,81 1,79 1,78
Conductividad trmica (W/mK) 72 62 62
Mdulo de Young Gpa 45 45 45
Rango de Fusin (C) 470-595 543-620 540-615 Tabla 7. Composicin
qumica y Propiedades fsicas de las aleaciones AM50A, AM60B y
AZ91D.
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Endurecimiento por Precipitacin en las Aleaciones Binarias de
Magnesio. Para las aleaciones de magnesio, el principal proceso
empleado para mejorar sus propiedades mecnicas es el de
endurecimiento por precipitacin. Tres de los sistemas binarios ms
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 funcin del tiempo de envejecimiento. Las condiciones que
renen estos sistemas, al igual que todos aquellos donde es posible
endurecer por precipitacin, son las siguientes:
- La solubilidad en estado slido, aumenta con la
temperatura.
- La velocidad de enfriamiento es lo suficientemente rpida como
para evitar la transformacin de fases que conduce a las fases de
equilibrio.
- El precipitado es altamente coherente con la matriz, de tamao
pequeo y se encuentra homogneamente distribuido en la matriz.
A continuacin de presentan los diagramas de fase y grficos de
endurecimiento en funcin de la temperatura de distintas parejas,
Mg-Al, Mg-Y y Mg-Zn
Mg-Al, Diagrama de fases
Figura 7. Aleacin Mg- 9,6%Al.
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Mg-Al, Curvas de endurecimiento
Mg-Y, Diagrama de fases
Figura 8. Aleacin Mg- 8,7%Y.
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Mg-Y, Curvas de endurecimiento
Mg-Zn, Diagrama de fases
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Mg-Zn, Curvas de endurecimiento
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Conclusiones: Las aleaciones de Mg son muy tiles cuando se
necesita un bajo peso y una
alta resistencia mecnica. Es un metal muy abundante en la
corteza terrestre, pero no siempre es sencilla
su extraccin. Dentro de las propiedades, como buenas, se
destacan la buena resistencia a
fatiga, y sobre todo baja densidad (alta resistencia-peso), como
malas, la baja resistencia a altas temperaturas y alta reactividad
en estado lquido o polvo.
Se debe tener en cuenta, a la hora de disear con aleaciones de
Mg, que las secciones resistentes sern mayores para iguales fuerzas
aplicadas, ya que tiene resistencia y tensiones de fluencia
bajas.
El Mg como metal puro tiene propiedades mecnicas pobres y es
poco deformable, en la prctica se utiliza aleado y con tratamientos
trmicos.
Hemos visto que bsicamente el Mg se obtiene de la reduccin de
minerales de Mg, tpicamente en hornos o mediante electrlisis.
Las utilizaciones estn dirigidas a aplicaciones donde se
requiere poco peso y alta resistencia en rango de temperaturas
ambientes o moderadas; como helicpteros.
Bibliografa Apuntes de Dr. Ing. Alberto Monsalve G. Ctedra de
TECNOLOGA DE MATERIALES AERONUTICOS. UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE
CHILE. DEPARTAMENTO DE INGENIERIA METALURGICA.
Internet: http://www.textoscientificos.com/quimica/magnesio
http://es.wikipedia.org/wiki/Magnesio