El magnesio y sus aleaciones
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El magnesio es un metal gris plateado y, lo que es más importante desde el punto de vista de la ingeniería, tiene el peso específico más bajo de todos los metales que se utilizan habitualmente en tecnología, con un valor aproximado de 17,1 kN/m³. Por este motivo, las aleaciones a base de magnesio se denominan aleaciones ultraligeras, ya que permiten construir estructuras con un peso muy reducido. Al mismo tiempo, el magnesio no tiene formas alotrópicas, por lo que no «ofrece» tantas transformaciones estructurales como el hierro. De hecho, sus propiedades están determinadas principalmente por la composición de la aleación, el estado de fundición/procesamiento y cualquier tratamiento térmico.
Sin embargo, el magnesio puro tiene unas claras limitaciones mecánicas. En su estado fundido, sus propiedades son relativamente bajas: Rm aprox. 80‑120 MPa, Re aprox. 20 MPa, A5 aprox. 4‑6 % y dureza aprox. 30 HB. Esto significa que, como material estructural «por sí solo», es demasiado débil y no lo suficientemente dúctil como para competir con las típicas aleaciones de aluminio o aceros. Además, a temperatura ambiente, el magnesio es frágil y solo se puede procesar plásticamente a temperaturas superiores a aproximadamente 220 °C, lo que afecta tanto a la elección de la tecnología de fabricación como a los costes. En la práctica, esta es la razón por la que el magnesio en forma de aleaciones, en lugar de como metal puro, es de vital importancia.
Actividad química, corrosión y seguridad
El magnesio es un metal químicamente muy activo, lo que tiene implicaciones operativas directas. Se disuelve fácilmente en muchos ácidos inorgánicos, pero se comporta de forma más neutra en alcalinos. Cuando se expone al aire, se cubre con una fina capa de óxido, lo que le da un aspecto más pobre pero, al mismo tiempo, puede actuar como capa protectora, siempre que no haya sales de cloro en la atmósfera. En presencia de cloruros (por ejemplo, cerca del mar), se forman cloruros de magnesio solubles, que no forman una barrera hermética y exponen constantemente el metal fresco, lo que permite que la corrosión penetre fácilmente en el metal. Esta es una de las razones por las que la elección de la aleación de magnesio y la posible protección de la superficie es fundamental en entornos «salados».
Otra cuestión importante es la reacción del magnesio con el agua a temperaturas elevadas. El agua calentada a aproximadamente 100 °C en presencia de magnesio puede descomponerse, lo que provoca la oxidación del magnesio. Y a temperaturas más altas, el proceso puede ser violento, ya que el hidrógeno que se libera puede quemarse de forma explosiva. Por esta razón, el material indica claramente que no se debe extinguir un incendio de magnesio con agua.
La inflamabilidad del magnesio depende, en gran medida, de su forma. Los elementos grandes, los productos acabados, los trozos o las láminas son prácticamente incombustibles en condiciones normales; para que se inflamen, primero deben fundirse parcialmente. Sin embargo, el magnesio en forma de serrín, virutas, tiras o polvo puede inflamarse fácilmente porque las partículas pequeñas se calientan y funden rápidamente. Así pues, una vez inflamadas, las virutas pueden arder hasta que el material se consuma por completo, y la humedad puede acelerar la naturaleza explosiva de la combustión. Este aspecto no es una «curiosidad», sino un requisito práctico de seguridad en el mecanizado y el almacenamiento de los residuos de producción.
Aplicaciones del magnesio puro y significado de la aleación
La aplicación del magnesio puro es limitada, pero no nula. Debido a su alto calor de combustión y su llama brillante, a veces, se utiliza en la producción de luz artificial, en materiales de ignición y explosivos, en la reducción termotécnica y como desoxidante en la metalurgia de muchos metales. Al mismo tiempo, el magnesio tiene una gran importancia industrial como matriz para aleaciones, ya que solo los aditivos de aleación permiten obtener propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión útiles en la construcción.
El material también indica los grados de magnesio metalúrgico según la norma (por ejemplo, Mg 99,95 y Mg 99,9) y sus usos típicos, lo que demuestra que la pureza del magnesio se selecciona en función de si se va a utilizar en aplicaciones químicas y aleaciones especiales o en la producción de aleaciones de magnesio estándar. En la práctica, es la aleación la que «transfiere» el magnesio de aplicaciones nicho a aplicaciones estructurales clásicas, donde el peso es un parámetro clave.
Los sistemas de aleación de magnesio más importantes
Hay tres aditivos que son de vital importancia en las aleaciones de magnesio: el aluminio, el zinc y el manganeso. El aluminio mejora significativamente las propiedades mecánicas de las aleaciones de magnesio; el material muestra que la mayor resistencia se consigue con una aleación con un contenido aproximado del 5 % de Al, y la mayor elongación, con una aleación con un contenido aproximado del 6 % de Al. El zinc actúa de manera similar al aluminio, y las mejores propiedades se obtienen con una aleación con un contenido aproximado del 5 % Zn. Estos valores son importantes porque sugieren que existe un cierto nivel «óptimo» de aditivo por encima del cual ya no se obtienen beneficios proporcionales.
El manganeso desempeña un papel especial en las aleaciones de magnesio, ya que no solo mejora las propiedades mecánicas, sino que también aumenta la resistencia a la corrosión. En la práctica, esto significa que el manganeso es, a veces, un aditivo «estratégico» para las aleaciones que se van a utilizar en entornos más difíciles o en condiciones en las que la protección de la superficie es limitada. La combinación Mg-Al-Zn (a menudo con Mn) es la que forma la familia más importante de aleaciones de magnesio, conocida como electrones, ampliamente utilizada cuando es importante minimizar el peso.
Una característica importante de estos aditivos es que su solubilidad en magnesio disminuye al disminuir la temperatura, lo que abre la vía al endurecimiento por precipitación (dispersión). Esta propiedad es la base del tratamiento térmico de las aleaciones de magnesio, aunque, tal y como destaca el material, los efectos del tratamiento térmico suelen ser menos espectaculares que en las aleaciones de aluminio, por lo que la elección de la composición y la tecnología de fabricación suele ser más importante que el tratamiento térmico «por el simple hecho de hacerlo».
Tratamiento térmico de aleaciones de magnesio
Dado que la solubilidad de los aditivos de aleación en el magnesio disminuye al bajar la temperatura, se puede utilizar el esquema clásico de endurecimiento por dispersión: primero se crea un estado supersaturado y, a continuación, se induce una precipitación controlada durante el envejecimiento. El material describe este proceso directamente: la aleación se recuece a una temperatura de aproximadamente 345‑420 °C durante 16‑20 horas, luego se enfría al aire para lograr la sobresaturación con elementos de aleación, seguido de un envejecimiento a 150‑200 °C durante aproximadamente 12 horas, lo que aumenta las propiedades de resistencia con una ligera disminución de la elongación.
Sin embargo, vale la pena comprender el significado práctico de esta descripción. En primer lugar, el largo tiempo de recocido sugiere que es crucial igualar la composición y preparar la matriz para la precipitación posterior, en lugar de simplemente «calentarla». En segundo lugar, el envejecimiento está controlado: no se trata de maximizar la dureza, sino de lograr un equilibrio estable de las propiedades. En tercer lugar, el material indica claramente que, aunque este tratamiento funciona, no proporciona tanta mejora en las propiedades como en las aleaciones de aluminio, por lo que es menos importante en las aleaciones de magnesio y se utiliza, a menudo, de forma selectiva, principalmente cuando es importante «sacar» un margen adicional de solidez a la vez que se mantiene un peso reducido.
Un buen ejemplo del efecto del tratamiento térmico es la aleación MgAl10ZnMn, para la que el material especifica propiedades en diferentes estados. En estado bruto, alcanza aproximadamente Rm 150 MPa, A5 aproximadamente 1 % y HB aproximadamente 50. Después de la homogeneización, aproximadamente Rm 210 MPa, A5 aproximadamente 3 % y HB aproximadamente 60. Después del endurecimiento por dispersión, aproximadamente Rm 210 MPa, A5 de aproximadamente el 1 % y HB de aproximadamente 65. Este conjunto de cifras muestra una característica típica de algunas aleaciones de magnesio: es posible aumentar significativamente la resistencia en comparación con el estado bruto, pero esto a menudo se consigue a expensas de la plasticidad, y la «ganancia» en dureza no siempre es tan grande como para justificar el tratamiento térmico en todas las aplicaciones.
Aleaciones de fundición y aleaciones forjadas
Las aleaciones de magnesio se dividen, al igual que las aleaciones de aluminio, según la tecnología de fabricación, en aleaciones de fundición y aleaciones forjadas. Ambos grupos pueden utilizarse sin tratamiento térmico o después de un tratamiento térmico, pero sus ventajas «naturales» son diferentes: las aleaciones de fundición facilitan la formación de geometrías complejas, mientras que las aleaciones forjadas están diseñadas para lograr una mejor combinación de solidez y plasticidad después de la deformación en caliente.
La designación de las aleaciones de magnesio se basa en los principios generales de marcado de aleaciones de metales no ferrosos. El material ofrece un ejemplo en el que una aleación marcada como MgAl3ZnMn contiene, además de magnesio, aproximadamente un 3 % de aluminio, aproximadamente un 1 % de zinc y aproximadamente un 0,3 % de manganeso. Esta notación es práctica: permite reconocer rápidamente si se trata de la familia Mg-Al-Zn-Mn, es decir, «electrones», y qué nivel de propiedades y susceptibilidad al tratamiento térmico se puede esperar.
Las aleaciones de magnesio para fundición suelen contener aluminio, zinc y manganeso, y el material indica que, con un contenido superior al 6 % de Al, pueden endurecerse por dispersión. Por otro lado, las aleaciones forjadas suelen ser aleaciones multicomponentes con Al, Zn y Mn, con un contenido de aluminio inferior al de las aleaciones para fundición, hasta un máximo de aproximadamente el 9 %. Se procesan a temperaturas elevadas: prensado en el rango de aproximadamente 250‑420 °C o laminado en el rango de aproximadamente 280‑350 °C. Y, lo que es más importante, no solo se calienta el material, sino también las herramientas para reducir el riesgo de agrietamiento durante la deformación. El material también señala que estas aleaciones tienen una buena maquinabilidad, lo cual es importante en la producción de componentes de paredes delgadas y de precisión.
Para las aleaciones plásticamente trabajables, se indican los rangos de propiedades típicos: Rm aproximadamente 200‑320 MPa, A5 aproximadamente 12‑23 %, y HB aproximadamente 40‑55. Estas propiedades permanecen prácticamente inalteradas hasta aproximadamente los 100 °C. Este conjunto de cifras ilustra claramente la importancia tecnológica del trabajo plástico: en comparación con el magnesio puro y muchas aleaciones de fundición, es posible lograr una mayor resistencia y una plasticidad significativamente mejor, lo que amplía la gama de aplicaciones estructurales.
Aplicaciones de las aleaciones de magnesio
Las aleaciones de magnesio, tanto fundidas como forjadas, tienen un peso específico de aproximadamente 17,65 kN/m³, lo que en la práctica significa que son materiales extremadamente ventajosos cuando el peso de la estructura es fundamental. El material tiene áreas de aplicación típicas: la construcción de automóviles, aviones y material rodante, es decir, industrias en las que la reducción de peso se traduce en ahorro de energía, autonomía o capacidad de carga. Al mismo tiempo, también existe una aplicación más «utilitaria»: la aleación de magnesio con manganeso, que se colorea bien, se utiliza a veces para pequeños artículos en los que la estética y el bajo peso son importantes.
Sin embargo, al seleccionar aleaciones de magnesio, siempre hay que hacer una serie de concesiones. Por un lado, su bajo peso ofrece enormes ventajas estructurales pero, por otro lado, hay que controlar cuidadosamente la resistencia a la corrosión (especialmente, en entornos clorados), la temperatura de funcionamiento y la seguridad del proceso de fabricación (especialmente, durante el mecanizado y el procesamiento de virutas). Por lo tanto, en la práctica, el magnesio y sus aleaciones rara vez son un «sustituto» directo del acero o el aluminio, sino que suelen ser una elección deliberada, justificada por la necesidad de obtener un equilibrio entre el peso, la tecnología y las condiciones ambientales.
Magnesio y sus aleaciones: resumen
El magnesio es un material único principalmente porque, como metal de ingeniería, tiene el peso específico más bajo, lo que hace que sus aleaciones sean una elección natural en diseños donde el peso es una restricción clave. Al mismo tiempo, el magnesio puro tiene propiedades mecánicas deficientes y una plasticidad limitada a temperatura ambiente, por lo que las aleaciones de magnesio son de gran importancia industrial. Los aditivos de aleación más importantes, aluminio, zinc y manganeso, aumentan la solidez, y el manganeso mejora además la resistencia a la corrosión. La disminución de la solubilidad de estos componentes con la temperatura permite el endurecimiento por dispersión a través de la supersaturación y el envejecimiento, aunque el efecto suele ser menor que en las aleaciones de aluminio. Desde el punto de vista tecnológico, las aleaciones se dividen en fundidas y forjadas. Estas últimas requieren un trabajo en caliente (con calentamiento de herramientas), pero son capaces de alcanzar niveles muy favorables de solidez y ductilidad. En aplicaciones que van desde la industria aeroespacial hasta la automoción, el magnesio gana en términos de «peso», pero requiere un enfoque consciente de la corrosión, la seguridad de los procesos y la selección de las tecnologías de fabricación.
