El aluminio es un elemento químico metálico muy común en la corteza terrestre, ya que forma parte de muchos silicatos minerales como feldespatos, plagioclasas o micas. Pero, pese a su abundancia, no se encuentra en estado nativo. Se trata de un metal de color gris pálido casi blanco y a diferencia del hierro carece de comportamiento ferromagnético. Reúne una serie de características que lo hacen muy útil en ingeniería de materiales como son una densidad muy baja para un metal, concretamente 2,7 g cm–3, y una resistencia muy grande a la oxidación, mucho mejor que la de los aceros inoxidables antes descritos. Además, sus propiedades mecánicas pueden mejorarse sensiblemente mediante los tratamientos térmicos adecuados que veremos más abajo.
Esta combinación de propiedades hace que actualmente sea un material de uso muy común como indican los ejemplos de la figura 2.5, ya que se usa para puertas, ventanas y todo tipo de perfiles. Es fundamental en las industrias de automoción, aeronáutica y aeroespacial debido principalmente a su ligereza. Se usa para fabricar recipientes, vasos, ollas y demás menaje de cocina, para latas de refresco y de otros tipos, y se procesa en láminas muy finas como envoltorio desechable: el conocido papel de aluminio (llamado incorrectamente papel de plata). Todas estas aplicaciones hacen que ahora mismo el aluminio sea el segundo metal más usado tras los aceros.
Las técnicas metalúrgicas adecuadas para extraer aluminio metálico de forma económicamente viable para su producción a gran escala se desarrollaron en tiempos bastante recientes, concretamente a principios del siglo XX. Se dice que el emperador Napoleón III se hizo fabricar una cubertería de aluminio en 1855 para agasajar a sus huéspedes más ilustres, en vez de usar oro y plata, ya que por aquella época el aluminio era más caro que estos metales preciosos[1]. Al ser un elemento tan reactivo se encontraba en menas químicamente muy estables, por lo que su extracción resultó durante muchos años una ardua tarea y no fue aislado por primera vez con una pureza relativamente alta hasta bien entrado el siglo XIX por el eminente químico F. Wöhler. Aun así, durante mucho tiempo la producción de aluminio fue meramente anecdótica, hasta 1889, cuando el alemán K. Bayer patentó el proceso de extracción de óxido de aluminio o alúmina (Al2O3), compuesto del que posteriormente se puede aislar el aluminio metálico.
El proceso Bayer se ha impuesto desde la década de 1960 como el método prácticamente único para la producción de alúmina y de aluminio metálico y se basa en obtener alúmina partiendo de una roca de composición compleja llamada bauxita. La bauxita es una roca sedimentaria con un contenido de aluminio relativamente alto que supone entre el 30% y el 50% aproximadamente de rendimiento para la alúmina. Contiene varios minerales de aluminio como la gibbsita, la boehmita y el diásporo, que básicamente son distintas combinaciones de óxidos y oxihidróxidos de aluminio como Al(OH)3 y AlO(OH), aunque incluye también otros minerales como óxidos y óxidos mixtos de hierro y de titanio, así como cantidades importantes de silicatos y sílice. El proceso consiste básicamente en añadir a la roca triturada una disolución caliente de hidróxido de sodio y proceder con una digestión a temperaturas moderadas para disolver los minerales de aluminio, mientras que los otros componentes de la bauxita permanecen en estado sólido. La digestión se puede resumir mediante estas dos reacciones:
Al(OH)3 + NaOH ⟶ NaAl(OH)4 [4.1]
AlO(OH) + NaOH + H2O ⟶ NaAl(OH)4 [4.2]
Tras decantar y filtrar, la disolución resultante es rica en iones aluminato, [Al(OH)4]−, que pueden precipitarse de manera controlada en forma de hidróxido de aluminio de gran pureza. Finalmente, el hidróxido extraído se calienta a unos 1000 oC en un proceso de calcinación que da como resultado la alúmina. Estos dos últimos procesos pueden expresarse así:
NaAl(OH)4 ⟶ Al(OH)3 + NaOH [4.3]
2 Al(OH)3 ⟶ Al2O3 + 3 H2O [4.4]
El aluminio metálico puede obtenerse por electrolisis a partir de la alúmina producida por el método Bayer, fundiéndola, pero no se trata de un procedimiento sencillo porque la alúmina es un compuesto muy estable y su punto de fusión es demasiado alto (en torno a 2000 oC). Para favorecer el proceso se puede aplicar el método Hall-Héroult que, curiosamente, había sido desarrollado pocos años antes que el de Bayer. Consiste en utilizar criolita (Na3AlF6) para formar una mezcla eutéctica con la alúmina que tiene la ventaja de fundir a solo 900 oC aproximadamente, lo que facilita enormemente la operación electrolítica y la convierte en viable desde el punto de vista económico. La electrolisis se lleva a cabo a esa temperatura con la mezcla fundida en una cuba con electrodos de carbono en disposición horizontal, produciéndose el depósito de aluminio en el fondo de la cuba. La reacción electroquímica es:
2 Al2O3 + 3 C ⟶ 4 Al + 3 CO2 [4.5]
La extracción de aluminio es uno de los procesos más costosos de toda la metalurgia moderna ya que, tanto el proceso Bayer como el Hall-Héroult, requieren de altas temperaturas y además se consumen grandes cantidades de carbono en este último, por lo que se están buscando alternativas más baratas y que sean más sostenibles desde el punto de vista ambiental.
Con respecto a las propiedades físicas del aluminio que ya hemos mencionado en esta sección queremos detenernos en las dos que probablemente sean más relevantes desde el punto de vista ingenieril. Una de ellas es su alta resistencia a la oxidación (que no a la corrosión). Esto se debe, como ya hemos visto en el caso de los aceros inoxidables, no a una característica intrínseca del metal, sino a que se crea una capa protectora de óxido, de alúmina en este caso, de poco espesor que protege de la oxidación del metal por quedar completamente recubierto. Para el aluminio se ha demostrado que esta capa de óxido resulta especialmente protectora ya que la razón de volúmenes entre el óxido y el metal es óptima para la pasivación; además, recientes investigaciones señalan que la formación de esta capa se produce de forma casi instantánea, lo que supone la reparación inmediata de la capa protectora cuando el metal se somete a esfuerzos y deformaciones, tal como muestran las imágenes de microscopía electrónica de transmisión de la figura 2.6.
Por otro lado, conviene hacer algún comentario adicional sobre las propiedades mecánicas del aluminio. De forma similar a lo que les ocurre a los aceros, el aluminio puro tiene unas propiedades mecánicas modestas. Por ejemplo, el típico aluminio comercial de una pureza mayor del 99% (de la “serie 1000” en el lenguaje técnico), posee una resistencia a la tracción de solo 90 MPa. Esas propiedades pueden mejorarse sustancialmente con otros elementos de aleación y con los tratamientos térmicos adecuados.
Por otro lado, a diferencia de los aceros, el aluminio tiene, en general, gran capacidad de formar disoluciones sólidas a temperaturas intermedias con muchos otros metales, como el cobre, el magnesio, el silicio, etc.; en la figura 2.7 se ilustra este comportamiento con el diagrama de equilibrio de fases Al-Cu. Por ello, las aleaciones comerciales del aluminio se agrupan en series. Aparte de la serie 1000, que básicamente es aluminio con cantidades mínimas (menores del 1%) de otros metales, se fabrican otras que constan mayoritariamente de aluminio (típicamente entre el 90% y el 99%) en combinación con otros elementos. Así, la serie 2000 contiene cobre como principal metal de aleación, la serie 3000 manganeso, la 4000 silicio, la 5000 magnesio, la 6000 magnesio y silicio, la 7000 zinc y la 8000 otros.
El objetivo de incorporar distintos metales es que, aparte de conseguirse mejorar algunas propiedades como la resistencia a la corrosión o reducir la densidad, aplicando un tratamiento térmico conocido como envejecimiento o maduración se pueden mejorar sustancialmente las propiedades mecánicas. Por ejemplo, podemos pasar a resistencias a la tracción de unos 500 MPa en las series 2000 o 7000. Dicho tratamiento térmico, que se ilustra en la figura 2.7, consiste en el calentamiento de la pieza seguido de un enfriamiento rápido y finaliza con un calentamiento suave para estabilizar los precipitados. Los precipitados que se forman a baja temperatura no tienen tiempo de difundirse a las fronteras de grano, como harían en condiciones de equilibrio; por el contrario, se forman unas dispersiones coherentes de precipitados de muy pequeño tamaño, tal como se esquematiza en la parte derecha de la figura 2.7. Estos precipitados, que se aprecian con dificultad al microscopio óptico, impiden el movimiento de dislocaciones y por tanto evitan las deformaciones y aumentan los valores de casi todos los parámetros mecánicos de la aleación. Cabe destacar que, pese a que el tratamiento térmico en sí es similar al templado de los aceros, el mecanismo de endurecimiento es radicalmente distinto, ya que en el caso de los aluminios no se produce ninguna transición de fase.
[1] Aunque la veracidad de esta historia está en entredicho, es perfectamente plausible. Lo cierto es que el supuesto hecho se mencionó por primera vez en 1969 (en S. Venetski. Metallurgist 13 (1969) 451-453. https://doi.org/10.1007/BF00741130) sin citar ninguna fuente histórica rigurosa, y desde entonces se popularizó.
[2] Y. Yang et al. Nano Lett. 18 (2018) 2492-2497. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00068.
[3] Figura adaptada de varias de D. R. Askeland et al. The Science and Engineering of Materials. 6ª ed. Cengage Learning (2011).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
