Berilio y Magnesio: Propiedades, Producción y Aplicaciones

Berilio: Propiedades y Procesos

Propiedades del Berilio

Las propiedades del berilio lo hacen único para ciertas aplicaciones.

Propiedades Físicas:
  • Tiene una densidad muy baja.
  • Presenta un módulo elástico muy alto, lo que resulta en un valor específico (módulo elástico por densidad) altísimo.
  • Es un buen conductor del calor y la electricidad.
  • Posee un gran calor específico, lo que lo convierte en un excelente sumidero de calor.
  • Tiene una baja sección eficaz de absorción de neutrones y una alta sección eficaz de colisión, además de una alta transparencia a los rayos X.
  • Su coeficiente de Poisson es muy bajo (µ=0,03).
  • Es un buen reflector de infrarrojos.
Cristalografía:

A temperatura ambiente, el berilio tiene una estructura hexagonal compacta.

  • Presenta un valor c/a muy bajo (1,568 < 1,63).
  • A pesar del bajo c/a, el movimiento de dislocaciones es fácil solo en los planos basales, con tres sistemas de deslizamiento 0001 < 1120 >.
  • El maclado no constituye un proceso de deformación adicional importante.
  • El enlace atómico es complejo: metálico en el plano basal y parcialmente covalente según el eje “c”.
  • Existe una gran tendencia a la rotura del cristal por descohesión de planos basales debido a la acumulación de dislocaciones, lo que resulta en la fragilidad del berilio.

La tenacidad mejora para temperaturas superiores a 200 ºC, ya que aumenta la facilidad de deslizamiento cruzado y es posible la activación de otros sistemas. A temperaturas superiores a 1254 ºC, el berilio experimenta un cambio alotrópico a una estructura BCC (cúbica centrada en el cuerpo).

Procesos de Producción y Obtención del Berilio

El berilio se obtiene a partir de minerales como el Berilio (3BeO·Al2O3·6SiO2) o la Bertrandita (4BeO·2SiO2·H2O). El proceso de extracción implica varias etapas, incluyendo la obtención de Be(OH)3 a partir del mineral, su transformación en BeF2, y finalmente la reducción del fluoruro con Magnesio (BeF2 + Mg → Be + MgF2), seguida de la purificación del metal.

La producción de piezas de berilio puro presenta dificultades. Es difícil forjar lingotes moldeados debido a su grano basto y columnar, lo que provoca tendencia al agrietamiento. El moldeo de piezas también es complicado por la muy alta temperatura de colada necesaria para obtener baja viscosidad, el ataque a los moldes y el tamaño de grano basto que resulta en la pérdida de propiedades.

Debido a estas dificultades, la vía pulvimetalúrgica es la utilizada preferentemente en la actualidad.

Producción del polvo de Be:

Se parte de un lingote fundido al vacío, se reduce a viruta y esta viruta se reduce a partículas finas. Se utilizan dos métodos principales:

  • Atrición mecánica: Molienda de la viruta entre placas de berilio, generando descohesión por planos basales y partículas en forma de escamas. La compactación de estas partículas produce textura.
  • Pulverización por impacto: La viruta choca a alta velocidad y baja temperatura contra una placa, causando descohesión por diferentes planos. Esto genera un polvo más equiaxial y con menos textura al compactar, resultando en mayor ductilidad.
Consolidación del polvo:

Se usan dos métodos preferentes:

  • Prensado en caliente y vacío (VHP – Vacuum Hot Pressed): Utiliza moldes de grafito (o superaleaciones de níquel para diámetros grandes). El proceso se realiza a 1000-1100 ºC y presiones entre 4 y 14 MPa. Estas presiones son insuficientes para compactar polvo fino de alta pureza.
  • Compactación isostática en caliente (HIP – Hot Isostatic Pressing): Permite utilizar mayores presiones (unos 100 MPa). La presión actúa en todas las direcciones, lo que resulta en menos textura y mayor isotropía de propiedades. La compactación por HIP de polvo de alta pureza permite alcanzar altas propiedades mecánicas. Tras la compactación, el tocho resultante puede ser conformado en caliente mediante laminación y extrusión. Para mejorar la isotropía del producto, se utiliza laminación cruzada.

Influencia del Tamaño de Grano y Contenido de BeO

Las partículas de berilio están recubiertas por una capa de óxido. A menor tamaño de partícula, mayor superficie total y, por lo tanto, mayor cantidad de óxido. Esta capa de óxido se fragmenta y dispersa durante el procesamiento, anclando los bordes de grano. En general, las partículas finas generan un menor tamaño de grano, lo que lleva a mejores propiedades mecánicas. Sin embargo, un contenido excesivo de óxido puede fragilizar el material.

Oxidación y Corrosión del Berilio

El berilio se recubre espontáneamente con una capa continua y adherente de óxido, lo que le confiere un buen comportamiento frente a la oxidación hasta los 700 ºC. Sin embargo, es atacado por agua con iones cloruro o sulfato, provocando picaduras. Debe manipularse con cuidado, ya que las huellas dactilares pueden favorecer este ataque. Existen tratamientos superficiales como el anodizado con ácido crómico, tratamientos de conversión con iones cromato, o recubrimientos con otros metales (como Cd sobre Ni) para mejorar su resistencia a la corrosión y oxidación.

Toxicidad del Berilio

La inhalación de compuestos o polvo de berilio produce una grave afección respiratoria conocida como beriliosis, que puede manifestarse incluso mucho tiempo después de la exposición. El contacto con ojos o piel con soluciones de berilio también puede causar problemas. Entre 1930 y 1950, hubo graves problemas de salud en trabajadores de industrias relacionadas con el berilio. Esto llevó al desarrollo de una normativa de seguridad que limita la concentración de berilio en el ambiente dentro de la fábrica (2 µg/m3), la emisión máxima al aire (10 g) y la concentración admisible en las cercanías de la planta (0,01 µg/m3).

Tipos de Berilio y Aleaciones

Grados de Berilio (Producidos por BRUSH WELLMAN):
  • Grados estructurales: Diseñados para garantizar características mecánicas mínimas como la resistencia a tracción (RM), el límite elástico (RP0,2) y el alargamiento (A).
  • Grados instrumentales: Desarrollados para optimizar propiedades específicas para ciertas aplicaciones, como un microlímite elástico muy bajo (tensión que produce una deformación permanente del 0,0001 %) o la mejora de la reflectividad al infrarrojo.
Aleaciones de Berilio:

El objetivo al alear el Be es mejorar algunas propiedades (plasticidad, tenacidad) sin deteriorar significativamente sus características positivas (densidad, rigidez).

Aleaciones Be-Al:

Son las únicas desarrolladas en la práctica. El diagrama Be-Al muestra que son elementos insolubles que no forman intermetálicos. La microestructura consiste en cristales de Be dispersos en una matriz de Al. La presencia de Al mejora la plasticidad y la tenacidad.

—-La primera aleación comercial fue Be-38%Al (AlBeMet 162, antes Lockalloy). Se obtiene por vía pulvimetalúrgica, utilizando polvos por atomización, compactación por HIP o CIP, y conformación por extrusión o laminación.

—-Las aleaciones de Be-Al son muy difíciles de moldear debido a la fuerte segregación (elementos insolubles), la alta reactividad en estado líquido (ataque al molde) y el enorme intervalo de solidificación (cavidades de contracción). Las piezas moldeadas tienden a tener bajas propiedades mecánicas.

—Para superar estas dificultades en el moldeo, se han desarrollado nuevas aleaciones con adiciones que mejoran el comportamiento, como las aleaciones Beralcast para moldeo a la “cera perdida”. Estas aleaciones llevan adiciones de:

  • Ag: endurece el Al por precipitación.
  • Co: endurece el Be por solución sólida.
  • Ge: mejora la colabilidad y ductilidad.
  • Si: mejora la colabilidad.

Ejemplos: Beralcast 363 (Be-31Al-3Ag-1Co-0,7Ge) y Beralcast 191 (Be-31Al-2Ag-2Si).

E-Materials:

Son materiales compuestos formados por mezclas de Be y BeO en diferentes porcentajes. Se obtienen por técnicas pulvimetalúrgicas a partir de polvos de los componentes, utilizando pulverización por impacto, enlatado del polvo, desgasificación y HIP. Pueden considerarse materiales compuestos con matriz de Be y son materiales frágiles.

-Existen las composiciones E-20, E-40 y E-60, donde la cifra indica el porcentaje en volumen de BeO.

-Al aumentar el porcentaje de óxido (BeO):

  • Sube el módulo elástico, la densidad y la conductividad térmica.
  • Baja la resistencia a tracción, el coeficiente de dilatación, el calor específico y la conductividad eléctrica.

-Son materiales utilizados en aviónica, especialmente militar, por su gran capacidad de disipación térmica (actúan como sumideros de calor, reduciendo temperaturas y aumentando la vida del sistema). Aumentan la frecuencia de resonancia del conjunto por su gran rigidez y se seleccionan por su coeficiente de dilatación para asegurar la compatibilidad con el resto del sistema.

Cuproberilios:

Son aleaciones de Cobre (Cu) y Berilio (Be). Presentan una importante variación de solubilidad del Be en la red FCC del Cu (del 2,7% a 865 ºC a 0,25% a temperatura ambiente). Esto permite aplicar tratamientos de solución y maduración para endurecerlas.

-La secuencia de descomposición durante la maduración es: Solución Sólida → GP → γ” → γ’ → γ.

-Si se aplica acritud (deformación plástica en frío) después del tratamiento de solución, se obtienen mayores propiedades mecánicas tras la maduración artificial.

-Después del tratamiento de solución, la conductividad eléctrica es mínima y aumenta con la temperatura y el tiempo de maduración. A mayor porcentaje de Be, mayor precipitación y mejores propiedades mecánicas (RP0,2, RM), pero peor conductividad eléctrica.

-No producen chispa.

Existen dos subgrupos principales:

  • Alta resistencia: 1,6-2% Be – 0,25% (Co+Ni).
  • Alta conductividad: 0,2-0,7% Be – 2% (Co+Ni).

La adición de Cobalto (Co) y Níquel (Ni) ayuda a frenar el crecimiento de grano por formación de beriliuros dispersos en la matriz y colabora ligeramente en el endurecimiento de la aleación.

Sus aplicaciones principales son en equipamiento eléctrico o electrónico que requiere una buena combinación de propiedades mecánicas, conductividad eléctrica y estabilidad térmica.

Aplicaciones del Berilio

El berilio y sus aleaciones se utilizan en una amplia gama de aplicaciones debido a sus propiedades.

  • Piezas y estructuras que requieren gran rigidez específica en el campo aeroespacial.
  • Sistemas ópticos y telescópicos, así como reflectores en satélites.
  • Componentes de sistemas de guiado inercial.
  • Frenos de aviones y coches de carreras.
  • Ventanas transparentes para equipos de rayos X.
  • Aplicaciones nucleares como moderador y reflector de neutrones, incluyendo aplicaciones en fusión (por ejemplo, ITER blankets).
  • Aviónica (sustratos, chasis, etc.) por su rigidez, coeficiente de dilatación y capacidad de amortiguamiento de vibraciones.

Magnesio: Propiedades y Procesos

Propiedades del Magnesio y sus Aleaciones

Propiedades Físicas:

El magnesio cristaliza en una red hexagonal compacta (HCP). Es conocido por su muy baja densidad (1,740 Kg/m3), lo que lo hace muy atractivo para aplicaciones donde la reducción de peso es crucial. Tiene puntos de fusión bajos (650ºC) y ebullición (1100ºC). Posee un gran coeficiente de dilatación (26·10-6/K). Aunque tiene un elevado calor específico por unidad de masa (1025 J/Kg·K), es bajo por unidad de volumen. Presenta buena conductividad térmica (146 W/m·K) y eléctrica (38% IACS), aunque los elementos de aleación tienden a disminuir ambas. Su módulo elástico es muy bajo (45 GPa) y tiene una alta capacidad de amortiguamiento. Además, presenta una temperatura de transición dúctil-frágil.

Conformado:
Moldeo:

Es un proceso ampliamente utilizado para el magnesio y sus aleaciones. Durante la fusión y colada, es crucial tomar precauciones para evitar la oxidación del metal líquido, ya que una capa de óxido no protege, sino que acelera la oxidación. Se emplean dos métodos principales: el uso de fundentes que forman una capa superficial protectora, generalmente fluoruros y cloruros de metales alcalinos y alcalino-térreos, aunque restos de fundente pueden deteriorar las propiedades y la resistencia a la corrosión; o el uso de atmósferas protectoras, como mezclas de aire con CO2 y/o SF6. La adición de pequeñas cantidades de berilio (Be) también puede disminuir la oxidación y el riesgo de ignición. El hidrógeno es el único gas que se disuelve en el magnesio líquido, y su menor solubilidad durante la solidificación implica un riesgo de porosidad, que se aborda mediante desgasificación, por ejemplo, con Cl2 en aleaciones Mg-Al. El afino de grano es importante; en aleaciones con aluminio se añaden elementos volátiles con C (como hexacloroetano) que generan C para formar Al4C3 (con efecto afinante) y Cl2 (con efecto desgasificante). En aleaciones sin aluminio, se utiliza Zr para afinar el grano, ya que cristaliza en HCP y tiene tamaño atómico similar al Mg; el Zr precipita en el líquido actuando como nucleante. Sin embargo, el Zr no se puede usar para afinar grano en aleaciones con Al porque reaccionan formando compuestos intermetálicos. Las aleaciones de magnesio tienen una gran contracción durante la solidificación, lo que lleva a la formación de rechupes. Generalmente, tienen buena fluidez. El moldeo en arena requiere precauciones como el uso de inhibidores contra la humedad y alta permeabilidad de la arena. El moldeo en coquilla puede sufrir solidificación prematura debido a la baja capacidad calorífica. El moldeo por inyección es muy empleado debido a la rápida refrigeración (bajo calor específico por volumen), buena fluidez y bajo ataque del molde por el Mg líquido. También se usan “squeeze casting” y procesado semi-sólido.

Conformado por Deformación:

La red HCP del magnesio limita la deformación a baja temperatura. Sin embargo, a alta temperatura (350-500ºC), la capacidad de deformación es comparable a la de metales cúbicos. Procesos como extrusión, forja y laminación se realizan a estas altas temperaturas. La deformación favorece una textura anisotrópica, lo que puede hacer que el límite elástico a compresión sea significativamente menor que a tracción. La deformación en frío puede causar endurecimiento por acritud (estados H1 y H2). El conformado en frío de chapas es limitado; se recomienda calentar para doblar y usar radios de acuerdo grandes. Las aleaciones de magnesio son fácilmente mecanizables.

Oxidación y Corrosión:

El magnesio es un metal muy reactivo. En seco, forma una capa de MgO que no es continua ni protectora. A temperaturas elevadas (>380ºC), el crecimiento de la capa de óxido es lineal y poroso. La adición de compuestos sulfurados en la atmósfera retarda la oxidación. El magnesio tiene un comportamiento anódico frente a la mayoría de metales, lo que implica un elevado riesgo de corrosión galvánica en contacto con otros metales. En atmósfera húmeda, se recubre principalmente con Mg(OH)2, una capa menos estable que las de Al y Ti, pero razonablemente protectora en ambientes rurales y marinos. La corrosión se acelera con la humedad relativa y si el pH es < 10,5. Es atacado por ácidos minerales (excepto FH, que forma una capa protectora de MgF2) y es resistente a los álcalis. Los iones cloruro, sulfato o nitrato aceleran el ataque. La presencia de impurezas como Fe, Ni, Co y Cu acelera mucho la corrosión en ambientes húmedos, formando micropilas galvánicas. Para mitigar esto, se mantienen estas impurezas por debajo de su límite de solubilidad o se añaden aleantes como Mn o Zr que minimizan el problema. El Y y las Tierras Raras (TR) también mejoran el comportamiento, mientras que la plata lo acelera. Las aleaciones de magnesio no tienden a la corrosión intercristalina. El Al favorece mucho la corrosión bajo tensiones, y el Zn en menor medida. Por ello, las aleaciones Mg-Al-Zn son muy susceptibles, las Mg-Zn moderadamente, y el resto poco. El magnesio se utiliza como ánodo de sacrificio para proteger otros metales más catódicos. Los métodos de protección superficial suelen incluir limpieza, pre-tratamiento (como anodizado con fluoruro o tratamientos de conversión) y aplicación de recubrimientos de pintura. El anodizado electrolítico genera capas que mejoran la resistencia a la corrosión y abrasión, pero necesitan ser selladas.

Mecanismos de Endurecimiento del Magnesio

Para mejorar las propiedades del magnesio puro, se procede a su aleación con otros elementos. Los principales mecanismos de endurecimiento son:

  • Endurecimiento por Acritud (Deformación plástica en frío): Se aplica mediante procesos como forja, laminación o extrusión en frío.
  • Endurecimiento por Solución Sólida: Ocurre cuando los átomos de los aleantes se disuelven en la red cristalina del magnesio. Es más efectivo cuanto mayor es la diferencia de radio atómico entre el magnesio y el soluto. El magnesio, siendo muy electropositivo, tiende a formar compuestos intermetálicos, lo que restringe la solubilidad. La solubilidad es mayor si hay coincidencia de red (como con Zn y Cd, que también cristalizan en HCP).
  • Endurecimiento por Precipitación: Algunos aleantes presentan una gran variación de solubilidad con la temperatura, permitiendo endurecer la aleación mediante la formación de precipitados. El tratamiento térmico típico es de solución + maduración (análogo a las aleaciones de Al, con nomenclaturas T4, T5, T6, T7). La mejora de propiedades no es tan acentuada como en las aleaciones de aluminio. Durante el tratamiento de solución, se requieren precauciones para evitar la oxidación excesiva (usando atmósfera protectora) y el riesgo de incendio. Es posible la fusión de eutécticas (“quemado”) si el calentamiento es demasiado rápido o la temperatura excesiva, lo que degrada las propiedades. En algunas aleaciones, el enfriamiento rápido (agua caliente) es necesario tras la solución, aunque generalmente se usa aire para minimizar distorsión. Durante la maduración, ocurren procesos de precipitación complejos; a menudo aparece una fase β’’ hexagonal ordenada y coherente, que es estable y mejora la resistencia a fluencia.

Designación de las Aleaciones de Magnesio

Existen sistemas de designación, destacando:

  • Designación ASTM: Se asignan letras a los principales elementos de aleación. La aleación se designa con las letras de los dos elementos principales seguidas de dos cifras que indican sus porcentajes nominales (redondeados al entero más cercano). Las variantes se indican con una letra mayúscula final (Ej: AZ91C: Mg-9Al-1Zn, variante C). Otros ejemplos son ZE41 (Mg-4Zn-1TR) y QE22 (Mg-2Ag-2TR).
  • Designación Europea (EN): Sigue un formato EN-ML1N1 N2 N3 N4 N5 (Ej: EN-MB65210). L1 indica el tipo de material (A: Ánodos, B: Lingotes, C: Piezas moldeadas). Los números N1 a N5 indican familia, grupo, subgrupo e individualizan la aleación.

Aleaciones de Magnesio para Moldeo

Son las más utilizadas, especialmente en la industria automovilística para piezas moldeadas por inyección.

Aleaciones Magnesio-Aluminio (Mg-Al y Mg-Al-Zn):

Son las de moldeo más comunes. Tienen una reacción eutéctica a 437ºC. La adición de Zn mejora la resistencia pero empeora la agrietabilidad en caliente a altos porcentajes. Tienen buena fluidez pero amplio intervalo de solidificación, lo que causa agrietabilidad en caliente y microrrechupes. Durante la solidificación, hay segregación de Al, formando una red de Mg17Al12 en bordes de grano que reduce la ductilidad. Un tratamiento térmico posterior puede redisolver esta fase. A pesar de la variación de solubilidad del Al, responden escasamente a la precipitación tradicional porque la fase β que precipita es incoherente y gruesa. Para mejorar la resistencia a la corrosión, existen variantes de mayor pureza (bajo Fe, Ni, Cu), y el Mn contrarresta la acción del Fe. Tienen buenas propiedades a temperatura ambiente, pero su comportamiento es deficiente por encima de 120ºC, ya que la fase Mg17Al12 no impide el deslizamiento intergranular en fluencia. Aleaciones con menos Al y adición de Si forman SiMg2 en borde de grano, que mejora el comportamiento a fluencia. Las aleaciones con Tierras Raras también mejoran la fluencia. Ejemplos comunes: AZ91 (la más utilizada), AM60, AM50, AM20 (más dúctiles), AS41, AS21, AE42 (para alta temperatura).

Aleaciones Magnesio-Zinc (Mg-Zn):

Tienen una eutéctica a 340ºC. Poseen buena fluidez pero amplio margen de solidificación, lo que lleva a microrrechupes y fragilidad de contracción. El afino de grano se realiza con Zr. Responden bien al tratamiento térmico de precipitación, alcanzando notables niveles de resistencia y límite elástico a temperatura ambiente en estado T5 y T6. La adición de Tierras Raras mejora la colabilidad, disminuye la agrietabilidad en caliente y, en cantidad suficiente, mejora el comportamiento a fluencia, aunque puede deteriorar algo la resistencia a temperatura ambiente.

Aleaciones Magnesio-Tierras Raras (Mg-TR):

Responden a diagramas eutécticos con variación de solubilidad. Tienen buena moldeabilidad, con un pequeño intervalo de solidificación y muy bajo riesgo de agrietamiento en caliente; las eutécticas formadas rellenan los dendritos suprimiendo los microrrechupes. El grano se afina con Zr. Son tratables térmicamente y tienen propiedades mecánicas moderadas a temperatura ambiente (mejoradas con adición de Zn). Presentan buen comportamiento a fluencia hasta 250ºC debido a la estabilidad de los precipitados y fases intergranulares que frenan el deslizamiento. Las TR se suelen añadir en forma de “misch metal”.

Aleaciones Magnesio-Plata (Mg-Ag):

La plata presenta una variación de solubilidad con la temperatura. Tienen buena respuesta al tratamiento térmico, logrando interesantes valores de límite elástico y resistencia. Combinadas con Tierras Raras, mantienen buenas propiedades hasta 250ºC. La plata deteriora el comportamiento a corrosión. Encuentran aplicación en la industria aeroespacial.

Aleaciones Magnesio-Itrio (Mg-Y):

Grupo de aleaciones moderno. Diagrama eutéctico con fuerte variación de solubilidad. El itrio es caro y difícil de alear con Mg. Combinadas con Tierras Raras, alcanzan buenas propiedades a temperatura ambiente y en caliente hasta 250-300ºC. Tienen buena moldeabilidad, afinadas con Zr, y responden bien al tratamiento térmico. El itrio mejora la resistencia a la corrosión. Tienen una aplicación creciente en el campo aeroespacial.

Aleaciones de Magnesio para Forja

Son menos empleadas que las de moldeo. Incorporan aleantes similares a las de moldeo y se endurecen por tratamiento térmico o acritud. Presentan diferencia de propiedades a tracción y compresión. Un grupo interesante son las aleaciones Mg-Li, atractivas por su baja densidad; para contenidos de Li > 11%, existe solo la fase β (cúbica centrada en cuerpo), que confiere gran conformabilidad en frío. La aleación LA141 (14%Li-1%Al) tiene una densidad muy baja (1,35 gr/cm3) y una extraordinaria relación E/d. Para empleo a elevada temperatura, se usan aleaciones con Y.

Aplicaciones del Magnesio y sus Aleaciones

  • Aplicaciones no estructurales: Uso en aleaciones de aluminio, desulfuración del acero, fundición nodular de hierro, procesos de reducción metálica y como ánodos de sacrificio.
  • Aplicaciones aeroespaciales: Tuvieron un uso significativo en los años 60, aunque ha habido un descenso. Las aplicaciones actuales se centran en motores (cárteres, carcasas, cajas de engranajes) y tienen una utilización preferente en helicópteros.
  • Aplicaciones en automoción: Uso creciente debido al ahorro de peso, lo que implica menor consumo de combustible. Se usan en cárteres, bloques, columnas de dirección, tapas de válvulas, soportes, volantes. Muchas de estas piezas se fabrican por inyección.