Aleación de zinc frente a aleación de aluminio frente a aleación de magnesio: Una comparación exhaustiva

Las industrias modernas dependen en gran medida de la metalurgia porque las aleaciones actúan como elementos fundamentales para fabricar productos de la industria moderna. El resultado de una operación de fabricación depende en gran medida de la aleación metálica seleccionada, ya que esta selección determina tanto la funcionalidad y durabilidad del producto como los gastos de producción. El zinc, el aluminio y el magnesio forman el grupo de aleaciones más reconocible porque aportan cualidades excepcionales y usos industriales versátiles.

Estas aleaciones presentan ventajas individuales que permiten su utilización en diversas aplicaciones industriales. Las aleaciones de zinc presentan una colabilidad superior junto con una resistencia excepcional, lo que las convierte en el material preferido para aplicaciones de fundición a presión. Las industrias aeroespacial, automovilística y de la construcción confían en las aleaciones de aluminio porque proporcionan un material ligero y resistente a la corrosión. El tercer grupo de aleaciones, el magnesio, es el material más ligero con excepcionales propiedades de resistencia al peso, lo que impulsa su uso en aplicaciones aeroespaciales y de dispositivos médicos.

Diversos factores relativos a los requisitos de resistencia mecánica y peso y a las propiedades de resistencia a la corrosión y comportamiento de conductividad térmica, junto con consideraciones presupuestarias, determinan la selección de una aleación. Este artículo ofrece una comparación exhaustiva de las aleaciones de zinc, aluminio y magnesio examinando sus características y analizando los usos específicos a través de sus ventajas e inconvenientes. La siguiente guía sirve como fuente de información para ayudar a los ingenieros y fabricantes y a los investigadores a determinar la selección de la aleación adecuada en función de los requisitos de rendimiento individuales.

1. Comprender los fundamentos de las aleaciones

1 ¿Qué son las aleaciones?

La práctica de la aleación consiste en unir varios metales o metales con no metales para mejorar la solidez y la resistencia a la corrosión, así como la maquinabilidad. Las exigencias industriales requieren que los metales puros se sometan a la preparación de aleaciones porque carecen de durabilidad suficiente.

2 ¿Por qué se alean los metales?

La dureza Mohs determina varias propiedades de los materiales que requieren el proceso de aleación para su optimización. Los principales propósitos de la aleación de metales abarcan varios factores que incluyen:

• Las aleaciones metálicas mejoran su composición mecánica, lo que crea un material más resistente tras su transformación.
• La superficie oxidada de determinados materiales, como el aluminio y el magnesio, desarrolla capas protectoras que impiden la aparición de óxido.
• La aleación de metales produce un efecto beneficioso en la maquinabilidad del material que permite facilitar las operaciones de corte y conformado del material.
• La reducción de peso en los sectores aeroespacial y automovilístico cuenta con componentes ligeros basados en el aluminio y el magnesio como elementos clave.

3 Visión general de las aleaciones de zinc, aluminio y magnesio

Las propiedades de estas tres familias de aleaciones las hacen aplicables a usos distintos. A continuación se describen los detalles básicos de su composición y sus características generales:

Aleaciones de zinc

Composición: El material está compuesto principalmente de zinc, junto con trazas de aluminio, cobre y magnesio.

Propiedades: Alta resistencia, excelente fundición y excelente resistencia a la corrosión.

Usos comunes: Diferentes procesos de fabricación utilizan aleaciones de zinc y aleaciones de aluminio y magnesio para producir piezas de automoción, así como manillas y cerraduras de puertas y carcasas electrónicas mediante métodos de fundición a presión.

Aleaciones de aluminio

Composición: La aleación de zinc existe como aluminio junto con cobre magnesio y silicio y zinc siendo los aditivos estándar para su creación.

Propiedades: Ligero, resistente a la corrosión y conductor térmico.

Usos comunes: La combinación de aluminio con cobre y magnesio produce piezas aeroespaciales que, además, sirven de soporte a bastidores y embalajes de automóviles y de conductores eléctricos.

Aleaciones de magnesio

Composición: Principalmente magnesio, con aluminio, zinc y manganeso como elementos de aleación comunes.

Propiedades: Extremadamente ligero, buena relación resistencia-peso y excelente maquinabilidad.

Usos comunes: Estructuras aeroespaciales, implantes médicos, equipamiento deportivo y vehículos de alto rendimiento.

Las propiedades fundamentales sirven como elementos esenciales a la hora de realizar una comparación exhaustiva de los atributos mecánicos de los materiales y la evaluación del uso funcional y el rendimiento total. En la siguiente sección examinaremos las propiedades comparativas entre estas aleaciones en lo que se refiere a resistencia, durabilidad y resistencia a la corrosión, así como varios factores críticos adicionales.

2. Comparación de propiedades clave

La selección entre aleaciones de zinc, aluminio y magnesio depende de la evaluación de propiedades para decidir sus usos de aplicación más adecuados. La selección de aleaciones debe guiarse por múltiples criterios esenciales, ya que abarcan la resistencia, el peso del material, la resistencia a la corrosión y su capacidad para conducir el calor y la electricidad, así como su rendimiento y valor económico.

1 Resistencia y durabilidad

La resistencia mecánica de una aleación consiste en su capacidad para soportar diversas tensiones y deformaciones tanto por presión como estructurales.

• Las aleaciones de zinc demuestran una excelente resistencia a las propiedades de alta resistencia y dureza que las hacen perfectas para su uso en fundición a presión. Las aleaciones gruesas de aluminio y magnesio mantienen su forma cuando se enfrentan a aplicaciones de fuerza exigentes porque ofrecen una capacidad de resistencia al impacto excepcional. Su peso supera el de las aleaciones de aluminio y magnesio.
• Las aleaciones de aluminio demuestran notables propiedades que consisten en combinar importantes valores de resistencia con características de ligereza. El tratamiento térmico mejora las propiedades mecánicas de las aleaciones de zinc, aunque estas aleaciones no pueden igualar los niveles de resistencia de las aleaciones de zinc. La resistencia media de las aleaciones de zinc ha permitido su uso en aplicaciones de la industria aeroespacial y del automóvil.
• La resistencia de las aleaciones de magnesio es la más débil de los tres tipos de materiales. Su gran rendimiento por unidad de peso hace que las aleaciones de zinc sean especialmente útiles para reducir el peso de los vehículos en aplicaciones aeroespaciales y de automoción.

Ganador: Aleaciones de zinc para una mayor resistencia; aleaciones de magnesio para la mejor relación resistencia-peso.

2 Peso y densidad

El peso funciona como un factor esencial en la producción de automóviles, junto con las operaciones aeroespaciales y la fabricación de sistemas electrónicos, ya que este factor permite mejorar la eficiencia mediante la reducción de masa.

• La densidad de las Aleaciones de Zinc alcanza los 7,1 g/cm³ porque el Zinc es el más pesado de estos tres materiales.
• En tercer lugar, el valor de la densidad de las aleaciones de aluminio se sitúa en 2,7 g/cm³, ya que su peso supera al del zinc, pero es inferior al del aluminio.
• La selección de aplicaciones de materiales estructurales para proyectos sensibles al peso debería elegir aleaciones de magnesio porque su densidad alcanza 1,7 g/cm³, lo que representa el peso mínimo de los materiales estructurales.

Ganador: Aleaciones de magnesio para un menor peso.

3 Resistencia a la corrosión

La supervivencia de una aleación bajo múltiples componentes ambientales depende de su capacidad para resistir los efectos de la corrosión.

• Las capas protectoras de óxido de zinc desarrolladas por las aleaciones de zinc hacen que estas aleaciones sean naturalmente resistentes a la corrosión. Las aleaciones de magnesio forman óxido blanco de forma natural en condiciones ambientales húmedas.
• Las aleaciones de aluminio mantienen una excelente resistencia a la corrosión porque su capa protectora de óxido sirve como material apropiado para el uso marino junto con las condiciones exteriores.
• Las aleaciones de magnesio demuestran una débil resistencia a la corrosión, además de la alta reactividad que poseen con la humedad, lo que requiere protección superficial o revestimientos para mayor seguridad.

Ganador: Aleaciones de aluminio para una mayor resistencia a la corrosión.

4 Conductividad térmica y eléctrica

Las aplicaciones de calidad que implican disipadores de calor y componentes eléctricos, junto con la ingeniería aeroespacial, dependen en gran medida de las propiedades de conductividad térmica y eléctrica.

• Las propiedades conductoras eléctricas y térmicas de las aleaciones de zinc son medias, aunque su aplicación en sistemas eléctricos es escasa.
• Las aleaciones de aluminio ocupan el primer puesto en las categorías de mejor conductor térmico y eléctrico por su excelente rendimiento en intercambiadores de calor y componentes eléctricos y en operaciones de cocina.
• Las aleaciones de magnesio se utilizan en situaciones de calentamiento delicadas debido a su ligereza, mientras que su conductividad térmica es menor que la del aluminio.

Ganador: Aleaciones de aluminio para una mejor conductividad.

5 Maquinabilidad y trabajabilidad

La capacidad de mecanizar una aleación define su facilidad para las operaciones de corte y conformado o de perforación o fundición.

• La fabricación de diseños intrincados y precisos es posible gracias a las aleaciones de zinc, que presentan propiedades de fundición superiores con buenas capacidades de fundición a presión.
• Las aleaciones de aluminio son las preferidas para fabricar piezas cruciales con diseños complicados porque ofrecen una fácil soldabilidad junto con una gran facilidad de fabricación.
• El mecanizado de aleaciones de magnesio proporciona resultados superiores a los del aluminio, aunque requiere herramientas de corte especiales debido a sus características de inflamabilidad.

Ganador: Las aleaciones de zinc son las ganadoras para las aplicaciones de fundición a presión, mientras que el magnesio se convierte en la primera opción para los requisitos generales de mecanizado.

6 Consideraciones económicas

Las operaciones de fabricación a gran escala consideran los costes como un factor determinante fundamental durante el desarrollo.

• La asequibilidad de las aleaciones de zinc viene acompañada de un gran peso que repercute en los costes de material, así como en los gastos de envío.
• Las aleaciones de aluminio resultan rentables porque son abundantes y reciclables, lo que las hace atractivas para muchas industrias.
• El elevado precio de las aleaciones de magnesio se debe a su escasa presencia natural y a los sofisticados requisitos de su proceso de fabricación.

Ganador: Aleaciones de aluminio para una mayor rentabilidad.

Cuadro recapitulativo: 

Cuadro 1 Comparación de propiedades clave

La fabricación de diseños intrincados y precisos es posible gracias a las aleaciones de zinc, que presentan propiedades de fundición superiores con buenas capacidades de fundición a presión.

3. Aplicaciones de cada aleación

Múltiples industrias utilizan ampliamente aleaciones de zinc, aluminio y magnesio porque poseen un conjunto de características distintas. Cada aleación de zinc, aluminio y magnesio presenta unas ventajas únicas que hacen que se utilicen en los sectores de la automoción, el desarrollo aeroespacial, la fabricación de productos electrónicos, los equipos médicos y los productos de consumo. La elección de la aleación depende de cuatro factores principales, como el nivel de resistencia, el contenido de peso y la capacidad de resistencia a la corrosión, junto con los requisitos de coste total.

1 Aplicaciones de las aleaciones de zinc

La gran popularidad de aleaciones de zinc proviene de su excelente combinación de alta resistencia y excelentes propiedades de fundición junto con la resistencia a la corrosión para componentes de precisión. La industria del automóvil utiliza aleaciones de zinc para fabricar componentes de cerraduras de manillas de puertas, así como engranajes y soportes. Las aleaciones de zinc destacan por su resistencia a los impactos fuertes, por lo que son materiales destacados para los equipos de seguridad y el refuerzo de la estructura de los vehículos.

Las aleaciones de zinc encuentran aplicaciones en la industria electrónica y eléctrica para la fabricación de carcasas de conectores, así como terminales de baterías y carcasas de blindaje que funcionan eficazmente en entornos de blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI). La prolongada vida útil de los equipos electrónicos depende de la alta durabilidad que proporcionan las aleaciones de zinc. Las aleaciones de zinc sirven al sector de la maquinaria y las herramientas industriales proporcionando la base para piezas de máquinas de fundición a presión, así como engranajes y válvulas que necesitan preservar la precisión y mantener una durabilidad específica.

Las aleaciones de zinc tienen una amplia aplicación en la producción de herrajes de consumo, ya que se utilizan para crear cerraduras y productos decorativos, además de cremalleras y bisagras. Los fabricantes confían en las aleaciones de zinc porque ofrecen excelentes opciones de acabado que les permiten fabricar artículos elegantes con elementos precisos. Las aleaciones de zinc destacan en la creación de artículos complicados a la vez que ofrecen un rendimiento robusto, lo que lleva a los fabricantes a elegirlas para diseños de estructuras exigentes.

2 Aplicaciones de las aleaciones de aluminio

Las aleaciones de aluminio siguen siendo populares por su ligereza y su capacidad para resistir la corrosión y conducir el calor con eficacia, por lo que se utilizan en muchos entornos de producción comercial. Las aleaciones de aluminio se han convertido en fundamentales para la fabricación aeroespacial porque proporcionan una resistencia extraordinaria en estructuras ligeras que se utilizan para los bastidores de los aviones junto con las alas y múltiples piezas estructurales. La aglomeración de átomos permite reducir el peso de los aviones, lo que mejora la eficiencia del combustible y las capacidades operativas.

El sector del automóvil adopta ampliamente las aleaciones de aluminio para producir componentes esenciales como bloques de motor, así como ruedas y chasis e intercambiadores de calor. Los fabricantes de automóviles utilizan el aluminio como sustituto de metales más pesados para ahorrar combustible y reducir las emisiones. El aluminio resiste eficazmente la corrosión, lo que permite utilizarlo para crear marcos de ventanas duraderos y paneles para tejados y fachadas de edificios de construcción.

La industria electrónica integra aleaciones de aluminio como componentes esenciales para disipadores de calor junto con conductores eléctricos y líneas de transmisión de energía. Los materiales alejan con éxito la energía térmica gracias a sus propiedades superiores de conducción térmica, que mantienen los equipos electrónicos dentro de su rango de temperatura de funcionamiento deseado. Como material no tóxico y reciclable, el aluminio sirve a la industria alimentaria y de bebidas al utilizarse para el envasado de alimentos y la producción de utensilios de cocina.

3 Aplicaciones de las aleaciones de magnesio

Los fabricantes de estructuras utilizan aleaciones de magnesio como las opciones metálicas más ligeras disponibles porque la reducción de peso es su principal preocupación. El sector de defensa aeroespacial depende de las aleaciones de magnesio para construir armazones de aviones, así como componentes de helicópteros y estructuras de naves espaciales. Los ingenieros pueden implementar piezas ligeras duraderas gracias a su relación de resistencia, que proporciona un mayor rendimiento y eficiencia del combustible.

La industria del automóvil depende en gran medida de aleaciones de magnesio para fabricar volantes, bastidores de asientos y cajas de transmisión. Reducir el peso de los elementos de automoción mejora el rendimiento del vehículo y reduce las necesidades de combustible. Las aleaciones de magnesio reducen las emisiones de los vehículos, ya que permiten reducir su peso, lo que concuerda con los esfuerzos actuales por desarrollar un transporte sostenible.

Dentro de las aplicaciones médicas, las aleaciones de magnesio encuentran su utilidad en la creación de implantes biodegradables, además de dispositivos ortopédicos. Por sus características de biocompatibilidad y ligereza, las aleaciones de magnesio representan una solución óptima para los dispositivos médicos que deben disolverse de forma natural en el cuerpo humano durante un periodo determinado. El uso del magnesio se extiende por todo el sector de la electrónica de consumo, ya que existe en carcasas de smartphones y marcos de ordenadores portátiles y cámaras fotográficas. Las aleaciones de magnesio ofrecen una combinación perfecta de alta resistencia y bajo peso que permite su uso para productos electrónicos avanzados.

Las aleaciones de magnesio se han convertido en un material estándar para la producción de equipamiento deportivo y recreativo, ya que sirven de base para los cuadros de las bicicletas y las raquetas de tenis y los productos de equipamiento para senderismo. Los diseñadores de equipos deportivos eligen las aleaciones de magnesio por su excelente combinación de propiedades de resistencia, flexibilidad y bajo peso.

Cuadro recapitulativo: 

Tabla 2 Aplicaciones de cada aleación

El examen muestra que cada metal tiene éxito en distintos ámbitos de utilización. La decisión de qué aleación utilizar depende de los requisitos de peso, así como de las necesidades de durabilidad y resistencia a la corrosión y de los gastos generales de producción.

4. 4. Ventajas y desventajas

Las tres aleaciones de zinc, aluminio y magnesio poseen ventajas y desventajas específicas porque difieren en sus niveles de resistencia y características de peso, así como en el potencial de resistencia a la corrosión y las propiedades de mecanizado, junto con los costes de producción. Estas propiedades constituyen la base necesaria para elegir la aleación adecuada para usos particulares.

1 Ventajas y desventajas de las aleaciones de zinc

Ventajas:

• La alta resistencia junto con las propiedades de dureza de las aleaciones de zinc las hacen idóneas para aplicaciones sometidas a tensión en componentes de automoción y maquinaria y herramientas industriales.
• El proceso de fundición a presión se adapta excepcionalmente bien a estas aleaciones porque permiten fabricar con precisión instrumentos de formas complejas y diseños refinados.
• El zinc forma una capa protectora de óxido por naturaleza, por lo que mantiene la resistencia a la corrosión y el óxido, especialmente en condiciones con humedad.
• Las aleaciones de zinc requieren menos energía para su producción porque su punto de fusión se mantiene por debajo del del aluminio y el magnesio, lo que amplía el tiempo de funcionamiento del molde sin degradar su rendimiento.
• El coste del zinc se mantiene bajo, por lo que los productores encuentran en él una solución económica para obtener materiales resistentes y duraderos.

Desventajas:

• La densidad de las aleaciones de zinc crea barreras a su aplicación, ya que resultan más pesadas que el aluminio o el magnesio.
• El límite de resistencia a la temperatura de estas aleaciones es bajo porque el calor elevado puede provocar una deformación sustancial de los componentes.
• Basándose en criterios de resistencia de los materiales, las aleaciones de zinc no están a la altura de las aleaciones de acero o titanio, lo que las limita para aplicaciones estructurales pesadas.

2 Ventajas y desventajas de las aleaciones de aluminio

Ventajas:

• El sector aeroespacial, la industria del automóvil y la construcción utilizan con frecuencia aleaciones de aluminio por su combinación de alta resistencia y bajo peso.
• Los materiales de aluminio se protegen a sí mismos contra el óxido a través de su capa de óxido natural que proporciona una resistencia superior a la corrosión para cualquier aplicación marina o al aire libre.
• Las capacidades eléctricas y de transferencia de calor del aluminio lo convierten en un material de primera para construir intercambiadores de calor y componentes electrónicos y sistemas de cables eléctricos.
• Las aleaciones de aluminio pueden procesarse fácilmente mediante soldadura y operaciones de conformado y mecanizado gracias a su fácil capacidad de manipulación.
• Las características del material de aluminio lo hacen 100% reciclable, lo que proporciona a las industrias una solución sostenible para reducir el impacto medioambiental.

Desventajas:

• El aluminio presenta una dureza y resistencia inferiores a las del zinc y sus metales homólogos, a pesar de sus propiedades de resistencia.
• La transformación del aluminio se encarece porque el aluminio necesita un aporte extra de energía para alcanzar la temperatura de fusión.
• El material de aluminio se expone a la corrosión galvánica cuando entra en contacto con metales conductores específicos y metales que acortan su vida útil.

3 Ventajas y desventajas de las aleaciones de magnesio

Ventajas:

• La cualidad de ultraligero del magnesio hace que este material sea ideal para industrias sensibles al peso, como la aeroespacial y la de componentes de automoción y productos electrónicos.
• Dado que las aleaciones de magnesio conservan una buena relación resistencia-peso, ofrecen un mayor rendimiento y un mejor ahorro de combustible en las aplicaciones de transporte de vehículos.
• Los procesos de microfabricación funcionan de maravilla con las aleaciones de magnesio porque permiten producir fácilmente artículos con forma con unos gastos de fabricación mínimos.
• La capacidad de las aleaciones de magnesio para absorber las vibraciones las hace útiles en las industrias automovilística y aeroespacial para minimizar el ruido y las vibraciones.
• El cuerpo humano acepta el magnesio como material adecuado para implantes médicos y dispositivos ortopédicos biodegradables porque se transforma por disolución natural durante la vida humana.

Desventajas:

• En circunstancias normales, las aleaciones de magnesio muestran una resistencia reducida a la corrosión porque se oxidan fácilmente en condiciones húmedas o salinas hasta que se produce un recubrimiento o tratamiento adecuado.
• El magnesio ofrece una resistencia reducida en comparación con el zinc y el aluminio para aplicaciones habituales.
• La fijación de equipos relacionados con el magnesio a altas temperaturas conlleva un mayor riesgo de incendio debido a sus propiedades de inflamabilidad acelerada, que requieren precauciones especiales durante la fabricación y el trabajo con máquinas.
• El proceso de fabricación de las aleaciones de magnesio requiere costes elevados debido a sus precios más altos que los de los materiales de aluminio y zinc.

Cada aleación -zinc, aluminio y magnesio- tiene sus propias ventajas y limitaciones. La combinación de durabilidad, resistencia y coste asequible de las aleaciones de zinc se da a pesar de su elevado peso. Las aleaciones de aluminio se sitúan a medio camino entre los niveles de resistencia, la inmunidad a la corrosión y las cualidades reciclables, aunque presentan una rigidez moderada y son sensibles a las reacciones galvánicas. El principal inconveniente de las aleaciones de magnesio es su reducida resistencia a la corrosión y su elevado riesgo de autoignición. La selección de una aleación adecuada depende exclusivamente del conjunto de requisitos exclusivos de la industria entre las necesidades de resistencia y las necesidades de reducción de peso y las necesidades de resistencia a la corrosión y las necesidades de reducción de costes.

5. ¿Qué aleación elegir?

La selección del material adecuado entre zinc, aluminio o magnesio debe ajustarse a las necesidades técnicas de su proyecto. Para los componentes industriales y de automoción, las aleaciones de zinc representan la mejor opción porque equilibran la resistencia con la durabilidad y las necesidades de presupuesto. Las aleaciones de aluminio sirven a las industrias que exigen ventajas de peso combinadas con protección contra la corrosión y flexibilidad porque satisfacen estas necesidades con éxito, dominando así la tecnología aeroespacial y las industrias de la construcción y la producción de electrónica de consumo. Los sectores aeroespacial y automovilístico, que se centran en la eficiencia del combustible, se benefician específicamente de las aleaciones de magnesio porque estos materiales ofrecen un excelente rendimiento en cuanto a propiedades ultraligeras y buena maquinabilidad junto con capacidades de absorción de vibraciones. El rendimiento superior del zinc entre los componentes de alta precisión y las aplicaciones pesadas lo hace mejor que el aluminio y el magnesio en estos usos específicos. La selección entre estos materiales depende de factores que incluyen el peso junto con las características de resistencia y resistencia a la corrosión y las limitaciones presupuestarias y las propiedades térmicas.

6. Conclusión

Las ventajas de la aleación de zinc coinciden con las de la aleación de aluminio y la aleación de magnesio, pero cada material responde a requisitos industriales específicos. Las aleaciones de zinc presentan una solidez excepcional junto con una resistencia a la corrosión y unas características de rentabilidad que las hacen las más adecuadas para aplicaciones de fundición a presión en la industria. Las aleaciones de aluminio tienen un uso muy extendido en los sectores aeroespacial, automovilístico y de la construcción debido a su construcción ligera junto con su alta resistencia a la corrosión y su potencial para reutilizar este material. Los materiales estructurales más ligeros entre los metales son las aleaciones de magnesio porque poseen una extraordinaria maquinabilidad y propiedades de absorción de vibraciones que permiten cumplir los requisitos de las aplicaciones aeroespaciales y de automoción y médicas.

La selección entre estas aleaciones metálicas depende principalmente de los requisitos de peso, las características de resistencia, la resistencia a la corrosión y las propiedades térmicas, así como de los costes de fabricación. Las consideraciones relativas al peso son menos críticas en aplicaciones de gran resistencia, lo que convierte a las aleaciones de zinc en una opción competitiva. Si se busca ligereza y resistencia a la corrosión, debe elegirse el aluminio. Las aplicaciones ligeras exigen aleaciones de magnesio que también ofrezcan buenas capacidades de mecanizado. La carpintería basada en un profundo conocimiento de las características únicas de cada aleación, así como de sus puntos fuertes y débiles, permite a las industrias tomar decisiones sobre la selección del material adecuado.