Aluminio en Fachadas Ligeras
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El Aluminio es el tercer elemento más abundante en nuestro planeta, constituyendo aproximadamente el 8% de la composición de la superficie terrestre. Únicamente el oxígeno y el silicio son elementos más abundantes que el Aluminio. Actualmente ningún otro Metal está siendo tan utilizado por el hombre.
El mineral del que se extrae el Aluminio recibe el nombre de bauxita. Su descubrimiento tuvo lugar en 1821 cerca del pueblo de Les Baux en el sur de Francia y posteriormente ha sido encontrado en la totalidad de los continentes. Las reservas mundiales conocidas se estiman en más de 40.000 millones de toneladas de mineral.
El Aluminio no está presente en la naturaleza directamente en forma de metal, sino de óxido (Al2O3). La bauxita, de textura terrosa y color rojizo, posee más de un 40% de alúmina (óxido de aluminio), la cual está mezclada con otros óxidos minerales tales como el sílice, óxido de hierro, titanio, etc.
Obtención del Aluminio
En términos cuantitativos, es preciso dejar claro que para obtener 1 tonelada (Tn) de Aluminio se requieren 2 Tn de alúmina, para las cuales a su vez, se necesitan 5 Tn de bauxita. Para que su explotación sea rentable con la tecnología actual, es preciso que la bauxita contenga en su composición al menos un 30% de alúmina y que el yacimiento sea fácilmente accesible. La producción de Aluminio a partir de la bauxita requiere grandes cantidades de energía por lo que las fábricas de fundiciones están localizadas mayoritariamente en países con bajos costes de energía y además, por motivos ecológicos, se otorga preferencia al uso de la energía de origen hidroeléctrico puesto que es renovable.
- Extracción de la alúminaa partir de la bauxita según el procedimiento de Bayer.
El procedimiento para aislar la alúmina respecto los otros componentes de la bauxita consiste en triturar ésta para obtener un polvo fino, el cuál se mezcla posteriormente con sosa cáustica líquida y se calienta finalmente la mezcla a baja presión. Posteriormente se procede a la calcinación de esta alúmina obtenida mediante hidrólisis y decantación. Finalmente se filtra el conjunto resultante para detener las impurezas.
La solidificación de la alúmina se consigue mediante precipitación, es decir, se conjuntan los cristales y se le extrae la humedad a muy alta temperatura obteniendo así un polvo blanco. Es la alúmina calcinada.
- Electrólisis
La electrólisis es un procedimiento que permite descomponer la alúmina en sus elementos químicos componentes que son aluminio y oxígeno. La reacción tiene lugar en unas cubas especiales, donde se alcanzan temperaturas muy elevadas (900-1000ºC). No obstante, la temperatura de fusión de la alúmina sería aún mayor (1800ºC) pero se consigue rebajarla mezclando la alúmina con fluoruro de sodio (criolita), que actúa de fundente. Una intensa corriente eléctrica pasa a través de la mezcla fundida, descomponiéndola en oxígeno y aluminio. El metal fundido se deposita en el polo negativo (cátodo) del fondo de la cuba, mientras que el oxígeno se acumula en los electrodos de carbono (ánodo). Así, mediante la electrólisis se logra separar el oxígeno y se obtiene aluminio metal puro, con un grado de pureza que oscila entre el 93,3% y 99,8%.
El aluminio puro se puede alear con otros metales obteniendo así aluminios con diversidad de características mejoradas como la resistencia a la corrosión y las características mecánicas. Estas aleaciones se pueden presentar comercialmente en diversos formatos (lingotes para la fundición, tochos para la extrusión, etc.).
Propiedades básicas del Aluminio
El Aluminio presenta unas evidentes ventajas que lo distinguen del resto de materiales:
- Es ligero. A igualdad de volumen el Aluminio pesa una tercera parte del Acero.
- Es un buen conductor de la electricidad.
- El Aluminio puro tiene unas propiedades mecánicas limitadas, pero sus aleaciones le permiten alcanzar
valores adecuados para el uso en la construcción.
- Es resistente a los agentes atmosféricos. El Aluminio y la mayor parte de sus aleaciones no se corroe. En el caso de hacerlo es en pequeña cantidad puesto que en su proceso de oxidación se autoprotege por medio de la propia capa o lámina estable de alúmina que se forma fruto de la oxidación.
- El Aluminio presenta buena plasticidad y formabilidad. No sólo puede ser sometido a variados tipos de transformaciones plásticas, como por ejemplo el plegado, sino que también pueden elaborarse en diferentes tipos de fundición, extrusión, laminado, etc.
- Tiene una buena conductividad térmica.
Su metalurgia fue desarrollada en 1.886, simultáneamente por el francés Heroult y el norteamericano Hall. En el caso de las Fachadas Ligeras, y en general en el campo de la construcción, sólo se utiliza la serie 6000 y más concretamente la aleación 6063 por reunir los requisitos adecuados tanto por sus propiedades mecánicas como por sus posibilidades en acabados superficiales desde un punto de vista estético. También se utiliza, aunque en menor medida, la aleación 6060.
Fabricación de perfiles de Aluminio
El proceso industrial para la fabricación de perfiles de Aluminio con destino al sector de la carpintería metálica y más concretamente de las Fachadas Ligeras consta, a grandes rasgos, de dos fases:
- FUNDICIÓN: Es la fabricación del material base.
Según a qué uso se destine el perfil comercial de Aluminio, la composición química de su aleación diferirá ligeramente.
Por tanto, la fabricación del material base debe ajustarse para adaptarla a las necesidades de la posterior aplicación constructiva.
La obtención de las diversas aleaciones de Aluminio se efectúa en la fundición mediante fusión de lingotes de Aluminio puro, de aleaciones de Al-Mg-Si y de chatarra de aluminio procedente de los residuos generados en las plantas de extrusión.
Como ya se ha citado, las aleaciones utilizadas en el campo de la construcción corresponden a la serie 6000, concretamente las aleaciones 6060 y 6063.
Para la obtención en una fundición del material base se sigue el proceso siguiente:
- Fusión de la materia prima
- Homogeneizado de la aleación
- Colada o solidificación del material
- Estabilización de las barras
- Corte a medida de las barras
La comprobación de la composición química de una aleación se efectúa mediante un análisis espectográfico. Una vez confirmada se procede a solidificar el material en forma de barras cilíndricas, denominadas TOCHOS, que presentan un diámetro y longitud variables en función de la prensa de extrusión a utilizar y del perfil a extrusionar.
En general los TOCHOS tienen longitudes que oscilan entre 3 y 6 metros y diámetros que oscilan entre 130 y 300 mm.
- EXTRUSIÓN:
Es la fabricación del propio perfil. A la máquina de extrusionar se la denomina PRENSA y se clasifica de acuerdo con la fuerza máxima que puede ejercer el pistón. Dicha potencia se expresa en toneladas (Tn).
La matriz es la pieza base del proceso de extrusión y su forma más sencilla consiste en un disco de acero templado en el que se ha practicado un orificio que reproduce la forma del perfil que se desea extrusionar. Se dispone de matrices planas para obtener perfiles abiertos y también de matrices puente para obtener perfiles cerrados. Estas últimas constan de una matriz con la forma exterior del perfil y una pieza puente con la forma interior del perfil. Previamente a ser extrusionado, el TOCHO se calienta en unos hornos de precalentamiento hasta alcanzar una temperatura aproximada de 500º C. Una vez estabilizada la temperatura en toda la barra, ésta es extraída del horno y colocada en la PRENSA, donde es presionada mediante un pistón contra la matriz.
Por efecto de la presión ejercida por el pistón y gracias al estado semiplástico del tocho de aluminio, el material fluye a través de la matriz adoptando la figura de la misma y dando origen al perfil. Una vez enfriado el perfil se procede a enderezarlo, estirándolo por medios mecánicos, y se corta después a la longitud comercialmente solicitada.
Las propiedades físicas y mecánicas de dicho perfil se mejoran mediante un tratamiento térmico de envejecimiento artificial que consiste en:
- Calentar el perfil uniformemente a una temperatura controlada, normalmente entre 160 y 190ºC.
- Mantener esta temperatura durante un periodo de 4 a 6 horas.
- Enfriar posteriormente el perfil por aire.
De esta forma se obtienen perfiles con tratamiento superficial T5, que garantiza un buen acabado superficial libre de rayas de matriz, manchas y cualquier otra imperfección.
En resumen, el proceso de extrusión consta de las siguientes etapas: 1. Calentamiento del tocho 2. Corte en caliente del tocho 3. Colocación de la matriz en la prensa de extrusión propiamente dicha 4. Extrusión propiamente dicha por presión del pistón sobre el tocho 5. Enfriamiento del perfil a la salida de la prensa 6. Corte del material 7. Estirado y enderezado del perfil 8. Control de calidad dimensional y control de calidad del estado superficial 9. Corte a medida de los perfiles 10. Colocación de los perfiles en contenedores para entrar en el horno de tratamiento térmico
El Aluminio en carpintería requiere unas propiedades físicas y mecánicas muy determinadas, que se caracterizan especialmente por el tipo de dureza superficial. Un método para determinar la dureza es mediante la evaluación de la resistencia que oponen los cuerpos a dejarse penetrar por otros más duros. Entre este tipo de ensayos cabe destacar los más empleados industrialmente, que son: Brinell, Vickers y Rockwell.
El ensayo de dureza Brinell es adecuado para materiales blandos y semiduros. Consiste en comprimir una bola de acero duro, de 10mm de diámetro, sobre la superficie del material a ensayar durante un tiempo determinado.
En el ensayo de dureza Vickers el penetrador es una pirámide regular de base cuadrada, de diamante, cuyas caras laterales forman un ángulo de 136º.
El ensayo de dureza Rockwell se ideó para medir la dureza más rápidamente que con los ensayos Brinell y Vickers. Este sistema es menos preciso que los dos anteriores pero muy rápido y fácil de realizar. Sirve tanto para materiales duros como blandos.
Una planta de extrusión debe contar con un taller anejo de matricería ya que al terminar el proceso de extrusión, debe ponerse a punto de nuevo la matriz para poder ser utilizada así en una nueva extrusión. Esta puesta a punto comporta las siguientes operaciones:
- Desmontaje de la matriz situada en el portamatrices
- Eliminación del aluminio residual solidificado y adherido a ella mediante un baño de sosa caliente
- Limpieza con la máquina de chorreado
- Retoque y pulido así como verificación de su estado (dimensiones, forma, fisuración, etc.)
- Nitrurado
- Protección
- Almacenaje
Tratamientos superficiales finales: Anodizado/Lacado
El Aluminio es un material que tiene una gran afinidad con el oxígeno. Por ello, al estar en contacto de forma continua y directa con el oxígeno atmosférico, se auto recubre de una capa natural y continua de óxido de aluminio, que en la mayoría de los casos es capaz de detener el principio de corrosión puesto que el óxido resultante es estable e impermeable al oxígeno. Sin embargo, esta oxidación natural del aluminio no proporciona una capa superficial con garantías adecuadas para su empleo arquitectónico exterior en lugares expuestos, donde la apariencia junto con la resistencia a la abrasión, la corrosión y la erosión son factores determinantes de la calidad del producto colocado. Para conseguir conjuntamente todas estas características es preciso recurrir a unos procesos industriales de tratamiento superficial del aluminio como son el anodizado y el lacado.
Anodizado
El Aluminio es, como cualquier otro metal, sensible al proceso de oxidación ambiental. Este proceso espontáneo produciría manchas aleatorias, que afectarían negativamente la estética de los perfiles. Se puede definir pues el proceso de anodizado como una oxidación controlada, acelerada y uniforme de la capa más superficial del perfil, por medio de un proceso electroquímico.
La oxidación anódica o proceso de anodizado es un tratamiento electrolítico destinado a producir aceleradamente capas de óxido de mayor espesor, uniformidad, estabilidad y diferente estructura de las que ya se formarían espontáneamente en la superficie del aluminio.
El proceso de anodización se puede dividir en tres etapas básicas: pretratamiento, tratamiento y postratamiento. El pretratamiento comprende inicialmente el desengrase del material en estado de suministro. Entre las diferentes opciones conocidas para el desengrase del material mediante inmersión la más extendida es la utilización de un producto comercial consistente en una solución alcalina compuesta por agentes humectantes, emulsionantes, solubilizantes, saponizantes y secuestrantes, durante un tiempo de inmersión de 3 a 5 minutos.
La operación siguiente al desengrase de la superficie es el decapado obtenido como resultado de un fuerte ataque químico al entrar en contacto el perfil con soluciones fuertemente alcalinas. Se utiliza generalmente el hidróxido de sodio con un aditivo comercial inhibidor de la formación de depósitos duros y con propiedades detergentes. El tiempo de inmersión es de 5 a 10 minutos.
A consecuencia de la fina capa formada por partículas metálicas y óxidos que permanecen adheridos en la superficie del aluminio al salir del baño decapante se hace imprescindible un tratamiento posterior de remoción de dicha película. A esta nueva operación se la denomina neutralizado y se lleva a cabo mediante la inmersión en una solución que contenga ácido nítrico.
Una vez superados los pasos anteriores, los perfiles extruídos ya se encuentran listos para ser sometidos a la conversión de su superficie: la formación de una capa de óxido anódica. El tratamiento anódico es un proceso electroquímico en el que el aluminio que va a ser tratado se hace eléctricamente positivo (ánodo) y se sumerge en un electrolito adecuado. Este proceso mejora notablemente la capacidad natural del aluminio de reaccionar con el oxígeno. Cuando se aplica una corriente eléctrica se libera oxígeno del propio electrolito dirigiéndose al ánodo donde reacciona con la superficie del Aluminio, formando una película de óxido de aluminio. Esta película de óxido se conoce como capa anódica. La reacción química continúa mientras dura el paso de corriente. A medida que se forma el óxido de aluminio, el electrolito tiende a disolverlo. Por consiguiente, la capa se vuelve porosa y aumenta su espesor. El electrolito penetra en los poros, permitiendo el paso de corriente y la formación continua de una película de óxido porosa en la interfase del metal. Esta película interfásica se conoce como capa barrera y puede presentar billones de poros por centímetro cuadrado. La porosidad y el espesor de la capa son factores importantes en la determinación de las propiedades finales del anodizado. Esta capa de anodizado es el resultado del tratamiento anódico del aluminio, en un electrolito (en la mayoría de los casos ácido sulfúrico entre el 15 y el 20 %) cuando una corriente directa, a suficiente voltaje, circula a través de la celda electrolítica que se establece al utilizar como cátodo el mismo tipo de aleación de aluminio. El flujo de corriente adecuado para la obtención de la capa anódica corresponde a una intensidad entre 1,0 y 1,5 Amperios por decímetro cuadrado, que requiere un voltaje de entre 13 y 17 voltios.
La capa del Aluminio ya anodizado tiene que ser sometida a un tratamiento final, postratamiento, para la eliminación de su propiedad absorbente con el objetivo de garantizar la estabilidad química de la capa protectora frente a ciertos medios, y garantizar la estabilidad de color frente a la luz. Esta operación final se denomina sellado y con ella se aumenta la resistencia a las manchas y a la corrosión de dicha capa. El sellado consiste en un tratamiento de hidratación aplicado a los recubrimientos anódicos de óxido después de la oxidación, con el fin de reducir la porosidad y, por tanto, la capacidad de absorción del recubrimiento. Los valores mínimos del espesor de la capa anódica recomendados están en función de la agresividad atmosférica.
Las clases de espesor son:
Clase 5 Implica que el espesor medio mínimo es de 5 μ Clase 10 Implica que el espesor medio mínimo es de 10 μ Clase 15 Implica que el espesor medio mínimo es de 15 μ Clase 20 Implica que el espesor medio mínimo es de 20 μ Clase 25 Implica que el espesor medio mínimo es de 25 μ
Las clases 5 y 10 se reservan para aplicaciones en interiores y las clases 15, 20 y 25 se utilizan para exposiciones exteriores. La elección de la clase viene definida por el arquitecto y/o proyectista en función de la exposición de la obra y de la agresividad ambiental.
Todos los Anodizadores que disponen de este sello están obligados, y así deben regirse, en todo su proceso productivo por las directrices que de estos organismos emanan tanto en lo concerniente a controles (de sellado, de micrage, de diferencias de tonalidades etc.) como en lo concerniente a garantías.
Con objeto de asegurar el cumplimiento de las garantías de calidad exigidas, los perfiles anodizados deben someterse y superar durante su proceso de fabricación los siguientes ensayos de control:
- Control de sellado
- Control de espesor
- Control de diferencias de tonalidad
Lacado
El tratamiento de lacado consiste en proteger la superficie de los perfiles de Aluminio con una capa de pintura aplicada, bien en polvo o bien líquida.
- Pintura líquida: Tiene como vehículo de aplicación del recubrimiento un disolvente, el cual debe evaporarse para obtener posteriormente la capa protectora de resina pigmentada.
- Pintura en polvo: Se aplica pulverizando un polvo de resina que se deposita electrostáticamente hasta obtener el espesor de capa protectora de resina pigmentada. Finalmente, la capa se endurece en el horno.
El proceso industrial más habitual consiste en:
- Desengrasado de los perfiles mediante inmersión en un baño con productos medianamente alcalinos. Es el mismo tratamiento ya descrito para el anodizado.
- Aclarado con agua desmineralizada para eliminar los posibles sobrantes.
- Decapado con productos fuertemente alcalinos para obtener una superficie más uniforme del aluminio. Es el mismo proceso que en el caso del anodizado.
- Neutralizado, igual que en el anodizado.
- Cromatizado. Tratamiento con soluciones acuosas que contienen iones hexavalentes de cromo aplicado para así formar una capa protectora.
- Lavado con agua desmineralizada y desionizada, y posterior secado en el horno para que los perfiles lleguen secos a la cabina de pintura.
- Cabina de pintura donde se pulverizan los perfiles con polvo de resina de poliéster. Al abandonar el polvo las pistolas de proyección, las partículas pulverizadas se cargan eléctricamente por acción de un campo eléctrico positivo. Dado que los perfiles de Aluminio están conectados a tierra con un potencial negativo, el polvo es atraído y se deposita sobre las superficies de los perfiles.
- Horno de polimerización. Una vez aplicado el polvo sobre los perfiles, éstos pasan al horno donde se realiza el termoendurecimiento de la resina alcanzando una temperatura de 200º C. El recorrido de los perfiles por el interior del horno dura unos 30 minutos. Este tratamiento térmico produce la fusión de las partículas de polvo proporcionando una película protectora uniforme. Los espesores de capa que se obtienen son generalmente muy uniformes, con valores que oscilan entre 60 y 80 micras.
Otros procesos mejorados
- "Calidad Marina" es un proceso que mejora las prestaciones del lacado en ambientes muy agresivos como primera línea de mar, industriales, etc., que consiste en aumentar el rebaje de la superficie del material de 0,8 gr/m2 a 2 y 4 gr/m2, lo que beneficia la penetración y agarre del cromatizado.
- "Fluorocarbonatados" o "PVDF" (laca en base fluoropolímeros 70:30) son sistemas multicapas que ofrecen excelentes prestaciones ante el envejecimiento y la degradación del color debido a los rayos UV en ambientes de alta agresividad. Por el contrario, la diversidad de colores está más limitada. El sistema contempla la aplicación de 3 ó 4 capas: una primera inhibidora de la corrosión, eventualmente una capa adicional de barrera, una capa de color y una última capa de barniz. La temperatura de horneado llega a los 240ºC.
Corrosión del Aluminio
Los perfiles de Aluminio utilizados en la construcción están expuestos a un cierto riesgo de corrosión, la cuál no solo puede tener consecuencias estéticas sino también estructurales. Se pueden distinguir dos tipos distintos de corrosión que pueden llegar a afectar gravemente al producto:
- Corrosión filiforme
Es una corrosión que avanza desde el interior del perfil hacia el exterior. Tiene aspecto de filamentos y su aparición generalmente se debe a una mala preparación de la superficie en la fase de cromatizado previo al lacado. También puede aparecer la corrosión filiforme como consecuencia de la porosidad del recubrimiento o de la falta de adherencia del mismo.
- Corrosión por par galvánico
La corrosión galvánica ocurre cuando dos metales se ponen en contacto y ambos poseen potenciales eléctricos diferentes, lo que favorece el comportamiento de un metal como ánodo y del otro como cátodo. A mayor diferencia de potencial, el metal más activo será el que se comportará como ánodo.
En los muros cortina la posible aparición de par galvánico debe tenerse muy en cuenta tanto en los anclajes como en las mechas puesto que generalmente ambos son de acero galvanizado, zincado o pintado, mientras que el resto de uniones o tornillos son de Acero Inoxidable, de Aluminio o de Zamack, alternativas que no suelen causar problemas. El par galvánico puede evitarse colocando separadores de materiales inertes (plásticos) entre el Aluminio y los otros metales, como puede ser el acero en el caso de los anclajes y de las mechas.