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• Elmar Cuellar

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CAPÍTULO 2

ALUMINIO Y ALEACIONES DE ALUMINIO

PROFESOR: PAUL P. LEAN SIFUENTES 1

ALUMINIO PURO ¾ Densidad 2,7 g/cm3 (un tercio la densidad del acero) ¾ Cúbico centrado en las caras (FCC o CCCa) ¾ Temperatura de fusión 660 ºC ¾ Propiedades en estado de recocido: 9 σmáx = 5 – 9 kg/mm2 (resistencia mecánica) 9 % ε = % δ = 45 – 60 % (ductilidad) 9 HB = 17 – 20 (dureza Brinell) ¾ Su resistencia mecánica se incrementa con la deformación en frío ¾ Ductilidad y conformabilidad (papel de Al) ¾ Buena conductividad térmica y eléctrica

2

ALUMINIO PURO ¾ Buena afinidad por el oxígeno (Al2O3) ¾ Cuanto más puro mayor resistencia a la corrosión ¾ Maquinable (tornear, cortar, fresar, etc.) ¾ Es no magnético y no produce chispa

3

ALUMINIO PURO CALIDAD

ESTADO

σMÁX (MPa)

δ (%)

HB

99,999

RECOCIDO

40

50

15

9,980

RECOCIDO DURO

55 130

45 8

18 30

99,500

RECOCIDO DURO

70 150

30 4

15 32

99,000

RECOCIDO DURO

80 160

40 3

32 40 4

ALUMINIO PURO

Variación de la resistencia a la tracción y la resistencia a la fluencia del aluminio de alta pureza

5

ALUMINIO PURO

Variación de la dureza del aluminio de alta pureza

6

ALUMINIO PURO

Efecto de la presencia de diversos elementos sobre la conductividad eléctrica del aluminio 7

ALUMINIO PURO

Características mecánicas el aluminio puro AA1100 a bajas temperaturas 8

Comparación de propiedades de las aleaciones ligeras y el hierro Característica

Unidades

Mg

Be

Al

Ti

Fe

Hexag.

Hexag.

CCCa

Hexag.

CCCu

g/cm3

1,7

1,85

2,7

4,5

7,87

ºC

650

1 278

660

1 660

1 535

W/mK

146

175

238

17

71

Coeficiente de Dilatación

x 10-6

26

12

23,5

8,9

12

Conductividad Eléctrica

% IACS

38

42,5

64

4

17,5

Resistividad Eléctrica

μ ohm . cm

4,45

4

2,65

42

9,7

Resistencia a Corrosión

E, B, R o M

Mala

Buena

Buena

Excelente

Regular

Módulo de Rigidez

GPa

45

300

70

120

210

Resistencia a Tracción

MPa

400

850

700

1 400

1 600

Resistencia / Densidad

MPa/(g/cm3)

235

560

260

310

205

Contenido en Corteza

%

2,8

8

0,9

5,8

Relativo

2

1

10

0,29

Red Cristalina Densidad Punto de Fusión Conductividad Térmica

Precio Relativo

100

ALEACIONES DE ALUMINIO

10

ALEACIONES DE ALUMINIO ¾ Se utilizan en construcción por su poco peso ¾ Existen aleaciones de aluminio para las aplicaciones más diversas con propiedades óptimas en cuanto a su resistencia a la tracción desde 60 MPa hasta casi alcanzar los 700 MPa. ¾ En general presentan buenas características de resistencia a la corrosión (con excepción de las aleaciones Al-Cu) ¾ Resistencia mecánica y tenacidad elevadas a bajas temperaturas, pues es BCC ¾ En las aleaciones de aluminio no se producen, normalmente, chispas por golpe, no siendo combustibles ni siquiera sus virutas

11

ALEACIONES DE ALUMINIO ¾ Todas las aleaciones de aluminio presentan una conductividad eléctrica relativamente alta. 9 El valor máximo, comprendido entre 38 y 34 m/Ωmm2, corresponde al aluminio en sus grados puro y purísimo, que corresponde al 60 % de la conductividad electrica del cobre. ¾ La conductividad térmica de las aleaciones de aluminio, se encuentra comprendida entre los valores de 80 y 230 W / (m K). 9 Se hace uso de esta buena conductividad térmica en pistones, cilindros y culatas de motores de combustión, en compresores e intercambiadores de todo tipo, así como en otros muchos campos de aplicación obteniéndose considerables ventajas. 12

ALEACIONES DE ALUMINIO

Conductores eléctricos de aluminio 13

ALEACIONES DE ALUMINIO ¾ Como el aluminio puro es un metal relativamente blando, con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas se añaden pequeñas cantidades de elementos aleantes: 9 Endurecimiento por solución sólida (se disuelven los aleantes) 9 Endurecimiento por precipitación, mediante tratamiento térmico de solubilización, temple y envejecimiento ¾ El elemento aluminio y todas sus aleaciones normalizadas son atóxicas. Los productos de aluminio son fáciles de limpiar, esterilizar y cumplen con todas las exigencias higiénicas y asépticas. ¾ Las aleaciones de aluminio se agrupan con referencia a los principales elementos aleantes 14

ALEACIONES DE ALUMINIO ¾ Para nombrar a las aleaciones de aluminio se utiliza una designación formada inicialmente por dos letras “AA” seguido de cuatro números: 9 Por ejemplo: AA6082, donde el primer dígito indica el o los aleantes principales (indica a que serie pertenece): Cu, Mn, Si, Mg, Zn, etc. 9 El segundo dígito indica: ƒ una modificación de la aleación inicial, el cero se utiliza para la aleación original, y los enteros del 1 al 9 indican las modificaciones de la aleación. ƒ el límite de impurezas en el caso de aluminio no aleado (serie AA1XXX) 15

ALEACIONES DE ALUMINIO 9 En el grupo AA1XXX para el aluminio con un mínimo de pureza del 99 % y mayores, los dos últimos dígitos son los mismos que los dos de la derecha del punto decimal en el porcentaje. 9 La aleación AA1060 indica un material de 99,60 % como mínimo de pureza de aluminio 9 La aleación AA1350 presentará 99,50 % como mínimo de aluminio, en donde el segundo dígito (el 3) indicará los rangos entre los cuales ciertas impurezas pueden variar. ¾ En los grupos de aleación desde el AA2XXX hasta AA8XXX, los dos últimos dígitos sirven sólo para identificar las diferentes aleaciones de aluminio en el grupo. 16

ALEACIONES DE ALUMINIO ¾ Además, las aleaciones de aluminio se pueden clasificar de acuerdo con los mecanismos bajo los cuales actúan los elementos de aleación para lograr el desarrollo de las propiedades mecánicas en: 9 aleaciones tratables térmicamente y 9 no tratables térmicamente

17

ALEACIONES DE ALUMINIO SERIE

ALEANTES

CARACTERÍSTICA

AA 1XXX

Al (99 % mínimo)

No tratable térmicamente

AA 2XXX

Al – Cu

Tratable térmicamente

AA 3XXX

Al – Mn

No tratable térmicamente

AA 4XXX

Al – Si

Fundiciones y alambres de aportación para soldadura

AA 5XXX

Al – Mg

No tratable térmicamente

AA 6XXX

Al – Mg – Si

Tratable térmicamente

AA 7XXX

Al – Zn

Tratable térmicamente

AA 8XXX

Otros

Tratable y no tratable 18

ALEACIONES DE ALUMINIO NO TRATABLES TÉRMICAMENTE

19

ALEACIONES NO TRATABLES TÉRMICAMENTE ¾ La resistencia mecánica depende de su estado de endurecimiento por: 9 Elementos de aleación como el Mn, Si y el Mg: series AA3XXX, AA4XXX, AA5XXX y algunas de la serie AA8XXX 9 Deformación en frío 9 Ambos son aditivos ¾ El Mg es el elemento que más endurece por solución sólida en las aleaciones no tratables térmicamente, por lo tanto son las que alcanzan los mayores valores de resistencias a la tracción, de este grupo de aleaciones no tratables ¾ El Fe y el Si son las impurezas más abundantes en los aluminios comerciales 20

ALEACIONES NO TRATABLES TÉRMICAMENTE ALEACIÓN AA1100 – O AA1100 – H18 AA3004 – O AA3004 – H18 AA4043 – O AA4043 – H18 AA5182 – O AA5182 – H19

> 99 % Al 1,2 % Mn 1,0 % Mg 5,2 % Si 4,5 % Mg

σmáx (MPa)

δ (%)

90

40

165

10

180

25

285

9

145

22

285

1

290

25

420

4

APLICACIONES Componentes eléctricos, forja, procesamiento de alimentos. Cuerpos de latas de bebidas, usos arquitectónicos. Metal de soldadura.

aportación

Tapas de latas de componentes marinos.

para bebida,

O: Recocido, H18: Deformado en frío con una reducción aproximada del 75 % y H19: Deformado en frío con una resistencia superior a la obtenida con H18. 21

ALUMINIO PURO SERIE AA1XXX

22

ALUMINIO PURO: serie AA1XXX ¾ El aluminio purísimo contiene como máximo el 0,02 % de impurezas admisibles; el aluminio puro entre el 0,1 % y el 1 % como máximo. ¾ Las impurezas son fundamentalmente de Fe (de 0,006 % hasta 0,6 %) y de Si (de 0,01 % hasta 0,5 %), además de Cu, Ti y Zn, y trazas de otros elementos. ¾ Las propiedades de estos materiales se hallan fuertemente condicionadas por los elementos que se encuentran en solución sólida. ¾ Al aumentar el contenido de elementos de aleación, aumenta notablemente la resistencia mecánica, mientras que la conductividad eléctrica disminuye en mayor o menor grado según el estado de precipitación.

23

ALUMINIO PURO: serie AA1XXX

Influencia de pequeñas adiciones sobre la resistencia mecánica del aluminio 24

ALUMINIO PURO: serie AA1XXX Variación de propiedades por laminación en frío de un aluminio Al 99,5 (Si 0,15 % y Fe 0,28 %)

25

ENDURECIMIENTO POR DEFORMACIÓN

• Endurecido • Baja ductilidad 26

DESIGNACIÓN DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO ¾ F: Condición de fabricado, tal como sale del proceso de fabricación (no hay garantía en propiedades mecánicas). ¾ O: Recocido ¾ H: Endurecido por deformación ¾ T: Tratado térmicamente le sigue los números del 1 al 10 ¾ T4: Solubilizado y envejecimiento natural ¾ T5: Solubilizado inmediatamente después de un proceso de fabricación a alta temperatura, envejecido naturalmente ¾ T6: Solubilizado y envejecimiento artificial en horno 27

DESIGNACIÓN DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO ¾ H1: Acritud solamente. Es el estado de los productos que han sido endurecidos solamente por deformación plástica en frío. ¾ H2: Acritud y recocido parcial. Es el estado de los productos que han sido endurecidos por deformación plástica en frío, hasta una resistencia mecánica superior a la final deseada, la cual se obtiene, posteriormente, mediante una adecuado recocido parcial. ¾ H3: Acritud y estabilizado. Es el estado de los productos que han sido endurecidos por deformación plástica en frío y, posteriormente, estabilizados mediante un calentamiento a baja temperatura.

28

DESIGNACIÓN DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO ¾ El digito que sigue a H1X, H2X y H3X, indicará el grado de acritud final: 9 Por ejemplo: HX2, el número 2 indicará que su estado es cuarto duro. 9 Su resistencia mecánica se encuentra a la mitad entre la del estado recocido y la del semiduro. O

Recocido

HX2

Cuarto duro

HX4

Semiduro

HX6

Tres cuarto duro

HX8

Duro

29

DESIGNACIÓN DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO 9 HX4: Estado semiduro. Su resistencia a la tracción se encuentra a la mitad entre la del estado recocido y la del duro. 9 HX6: Estado tres cuarto duro. Su resistencia a la tracción se encuentra a la mitad entre la del estado semiduro y la del duro. 9 HX8: Estado duro. Tiene el máximo grado de acritud generalmente utilizado. 9 HX9: Estado extraduro. Su resistencia excede al estado duro.

30

DEFORMACIÓN PLÁSTICA EN LOS METALES Propiedades de la aleación AA3003 Estado

σF (MPa)

σMÁXIMO (MPa)

Alargamiento %δ

Dureza HB

O

50

110

29

29

H12

120

140

11

40

H14

145

160

9

45

H16

165

180

8

50

H18

185

205

6

55

H19

215

245

4

65 31

ALUMINIO PURO: serie AA1XXX

Bandejas de empaque de aluminio puro (AA1100)

Bolsas para empaquetar alimentos y bebidas (AA1060 ó AA1100)

32

ALEACIONES: ALUMINIO – MANGANESO SERIE AA3XXX

33

ALUMINIO MANGANESO: serie AA3XXX ¾ Las aleaciones pertenecientes a la serie AA3XXX: 9 pueden ser endurecidos por deformación en frío, 9 presentan óptima resistencia a la corrosión atmosférica y 9 son fácilmente soldables. ¾ La aleación AA3003 tiene buena formabilidad, gran resistencia a la corrosión atmosférica y buena capacidad de soldado. Se usa ampliamente para la fabricación de utensilios de cocina, equipos de manejo y almacenamiento de alimentos y sustancias químicas, tanques para gasolina y aceite. ¾ La aleación AA3105 se emplea principalmente para el techado de casas. 34

ALUMINIO MANGANESO: serie AA3XXX

Aumento de la resistencia mecánica y ductilidad del aluminio por adición de Mn

35

ALUMINIO MANGANESO: serie AA3XXX Composición química de aleaciones de aluminio de la serie AA3XXX Aleación % Si % Fe

% Cu

% Mn

% Mg

% Zn

% Ti

AA3003

0,60

0,70

0,05 - 0,2

1,00 – 1, 5

0,10 0,2 (+ Zr)

AA3004

0,30

0,70

0,25

1,00 – 1, 5

0,80-1,30

0,25

AA3104

0,60

0,80

0,05 - 0,25

0,80 – 1,40

0,80-1,30

0,25

0,10

AA3005

0,60

0,70

0,30

0,20 – 0,60 0,20 – 0,60 0,25

0,10

AA3105

0,60

0,70

0,30

0,30 – 0,80 0,20 – 0,80 0,40

0,10

Otros elementos 0,15 % Resto aluminio 36

ALUMINIO MANGANESO: serie AA3XXX Propiedades: AA3003 (1,2 Mn - 0,12 Cu) y AA3004 (1,2 Mn – 1,0 Mg) Aleación AA3003

AA3004

Estado O H14 H18 O H34 H38

σF (MPa) 41 145 186 69 200 248

σmáx (MPa) 110 152 200 179 241 283

Alargamiento %δ 35 12 7 23 11 6

Dureza HB 28 40 55 46 63 77

37

ALUMINIO MANGANESO: serie AA3XXX

Radiador de automóvil AA3002

Cuerpos de latas de bebida AA3004 ó AA3104

38

ALEACIONES: ALUMINIO – SILICIO SERIE AA4XXX

39

ALUMINIO SILICIO: serie AA4XXX ¾ Las dos aleaciones de esta serie mas ampliamente usadas son las aleaciones AA4032 y la AA4043. ¾ La AA4032 contiene 12,5 % de silicio: 9 tiene gran capacidad de forjado, 9 presenta mediana resistencia mecánica y 9 bajo coeficiente de expansión térmica. 9 se emplea para fabricar pistones (por fundición). ¾ La aleación AA4043, por otra parte, es una de las más ampliamente usadas como material de aporte en la soldadura de aleaciones de aluminio. 40

ALUMINIO SILICIO: serie AA4XXX Alambres de aportación empleados en el soldeo GMAW (MIG/MAG) y GTAW (TIG) del aluminio y sus aleaciones Clasificación AWS A5.10

ER4043

ER4047

Metal depositado Composición química

Si = 5; Fe < 0,2; Mn = 0,02 Zn = 0,05; Al = resto Si = 12; Fe < 0,2; Mn < 0,1 Zn = 0,05; Al = resto

σmáx (MPa)

Dureza (HV)

165

56 – 64

170

60 – 70 41

ALEACIONES: ALUMINIO – MAGNESIO SERIE AA5XXX

42

ALUMINIO MAGNESIO: serie AA5XXX

Porción del diagrama de equilibrio Aluminio-Magnesio 43

ALUMINIO MAGNESIO: serie AA5XXX ¾ Las aleaciones de la serie AA5XXX (Al-Mg) incrementan su resistencia mecánica por endurecimiento por deformación en frío y tienen moderada resistencia a la tracción. ¾ Su resistencia a la corrosión es óptima en ambientes marinos. ¾ Presenta buen comportamiento mecánico a bajas temperaturas. ¾ Son fácilmente soldables por una variedad de procesos de soldadura. ¾ La resistencia a la tracción y el límite elástico aumentan de modo continuo con el contenido en Mg. ¾ El alargamiento hasta la rotura decrece con el contenido de casi el 3 % de Mg y, a partir de aquí, vuelve a crecer suavemente. 44

ALUMINIO MAGNESIO: serie AA5XXX ¾ El Mn provoca un aumento adicional de la resistencia mecánica de este tipo de aleaciones, que es notablemente superior que el de las aleaciones AlMn binarias. ¾ Se

emplean en estructuras de

puentes, tanques de

almacenamiento a presión, tanques criogénicos sometidos a temperaturas cercanas a – 270 °C (cercanas al cero absoluto) y se utiliza ampliamente para fabricaciones de embarcaciones marinas.

45

ALUMINIO MAGNESIO: serie AA5XXX

Resistencia a la tracción en función del grado de deformación

46

ALUMINIO MAGNESIO: serie AA5XXX

Influencia del contenido de Mg sobre la resistencia mecánica

47

ALUMINIO MAGNESIO: serie AA5XXX

Influencia del contenido de Mn sobre aleaciones de Al Mg

48

ALUMINIO MAGNESIO: serie AA5XXX Composición química de aleaciones de aluminio de la serie AA5XXX % Mg

% Zn

% Ti

%

Aleación % Si % Fe % Cu

% Mn

AA5005

0,30

0,45

0,05

0,015

AA5050

0,40

0,70

0,20

0,10

1,10-1,80

0,25

AA5083

0,40

0,40

0,10

0,40 – 1,00

4,00-4,90

0,25 0,2 (+Zr)

AA5454

0,25

0,40

0,10

0,50 – 1,00 2,40 – 3,60 0,25

0,20

0,15

AA5754

0,40

0,40

0,10

0,40 – 1,00 4,00 – 4,90 0,25

0,15 (*)

0,15

0,70 – 1,10 0,20

Otros 0,15

0,15

0,15 0,15

(*) 0,10 – 0,6 (Mn + Cr) 49

ALUMINIO MAGNESIO: serie AA5XXX Propiedades de la aleación AA5754 Estado O H12 H14 H16 H18 H19

σF (MPa) 100 185 215 245 270 300

σmáx (MPa) 215 245 270 290 315 340

Alargamiento %δ 25 15 14 10 9 5

Dureza HB 55 70 75 80 90 95 50

ALEACIONES DE ALUMINIO TRATABLES TÉRMICAMENTE

51

ALEACIONES TRATABLES TÉRMICAMENTE ¾ La dureza y la resistencia mecánica del material dependen de: 9 la composición química de la aleación, 9 trabajo en frío (por deformación plástica) y 9 tratamiento térmico 9 los tres son aditivos ¾ Generalmente un tratamiento térmico de solubilización y un temple seguido de envejecimiento, bien natural o bien artificial ¾ Estas aleaciones pueden someterse también a un recocido para que alcancen ductilidad ¾ Las aleaciones de aluminio tratables térmicamente quedan recogidas en las series AA2XXX, AA6XXX, AA7XXX y algunas de la serie 8XXX52

ALEACIONES TRATABLES TÉRMICAMENTE

ALEACIÓN

σmáx (MPa)

δ (%)

APLICACIONES

AA2024–T4

4,4 % Cu

470

20

Remaches, de aviones.

estructura

AA2090–T6

2,7% Cu - 2,4% Li

550

6

Lámina externa aeronaves.

AA6061–T6

1,0% Mg-0,6% Si

310

15

Embarcaciones, carros de ferrocarril.

AA7075–T6

5,6% Zn-2,5% Mg

570

11

Bastidores aeronaves.

de

de

T4: Solubilizado, temple y envejecimiento natural, T6: Solubilizado, temple y envejecimiento artificial. 53

TRATAMIENTO TÉRMICO 600

SOLUBILIZACIÓN: permanencia en el horno

Temperatura ( ºC )

500 400

TEMPLE

300

(enfriamiento rápido) ENVEJECIMIENTO ARTIFICIAL

200

(en horno)

100

AIRE

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16

Horas 54

TRATAMIENTO TÉRMICO

• Solución sólida α • Solvente Al • Disuelve: y % Cu α+θ

• Solución sólida α • Solvente Al • Disuelve: x % Cu θ (Al2Cu)

x

y,

1º La fase θ (Al2Cu) se disuelve en α, solubilización a 510 ºC. 2º Se templa a temperatura ambiente, α sobresaturada. 3º Se envejece natural o artificialmente (95 – 200 ºC).

55

TRATAMIENTO TÉRMICO

56

SOLUBILIZACIÓN ¾ Se hace a temperatura elevada del orden de 510 - 540 ºC, esta temperatura será más alta a mayor contenido de elementos aleantes. ¾ La duración de mantenimiento a alta temperatura depende del espesor. ¾ Durante el mantenimiento prolongado a temperaturas elevadas, los compuestos intermetálicos (θ) del tipo: 9 Al2Cu (AA2XXX), 9 Mg2Si (AA6XXX) y 9 Zn2Mg, Al2Cu (AA7XXX) 9 se disuelven y la aleación forma entonces una solución sólida homogénea. 57

TEMPLE ¾ Se trata de un enfriamiento muy rápido del metal, que se hace normalmente por inmersión o ducha en agua fría ¾ El enfriamiento brutal del metal tiene por efecto impedir la precipitación de los compuestos intermetálicos θ: Al2Cu,Mg2Si y Zn2Mg. ¾ Con el exceso de θ atrapado en la solución, resulta una solución sobresaturada. ¾ La operación de enfriamiento drástico tiende a generar tensiones, las cuales suelen dar como resultado distorsión, sobre todo si las partes están diseñadas intrincadamente. ¾ En tales casos, el agua en ebullición puede emplearse como medio del temple para minimizar la distorsión. 58

TEMPLE ¾ Si α es una fase dúctil, como las soluciones sólidas, la aleación será dúctil inmediatamente después del templado ¾ Lo cual permite que las partes deformadas o distorsionadas se enderecen con facilidad. ¾ Las operaciones de enderezamiento deben llevarse a cabo tan pronto como sea posible después del templado. θ

θ

59

ENVEJECIMIENTO ¾ La aleación, como se encuentra después de templarse, es una solución sólida α sobresaturada y se encuentra en un estado inestable. ¾ El exceso de soluble θ tenderá a salir de la solución, y la velocidad a que ocurre la precipitación varía con la temperatura. ¾ La siguiente figura muestra el efecto de tres temperaturas en las curvas de envejecimiento de una aleación. A baja temperatura T1, la velocidad de difusión es tan lenta que no hay precipitación apreciable. A temperatura T3, el endurecimiento se presenta rápidamente, debido a la rápida difusión, pero los efectos suavizantes también se aceleran, dando como resultado una dureza máxima menor. La temperatura óptima parece ser T2, a la que ocurre el máximo endurecimiento dentro de un tiempo razonable. 60

ENVEJECIMIENTO

Efecto de la temperatura y tiempo de envejecimiento sobre la dureza en una aleación 61

ENVEJECIMIENTO

Variación del límite elástico con la temperatura y tiempo de envejecimiento de una aleación de aluminio AA2024 (4,4 %Cu; 0,9 5 Si; 0,8 % Mn y 0,5 % Mg) 62

ENVEJECIMIENTO

Variación de la ductilidad con la temperatura y tiempo de envejecimiento en una aleación de aluminio AA2024 (4,4 %Cu; 0,9 5 Si; 0,8 % Mn y 0,5 % Mg) 63

ENVEJECIMIENTO Efecto del envejecimiento sobre las propiedades mecánicas de la aleación de aluminio AA2014 Condición Recocida Solubilizada, templada envejecida naturalmente

y

Solubilizada, templada envejecida artificialmente

y

σf (MPa)

σmáx (MPa)

%ε

HB

100

190

18

45

290

430

20

105

420

490

13

135

64

ENVEJECIMIENTO

Efecto del tiempo de envejecimiento sobre las propiedades mecánicas

65

ENVEJECIMIENTO ¾ Después del temple la solución sólida sobresaturada está en un estado metaestable (no esta en equilibrio) ¾ Precipitación de los compuestos intermetálicos que provocan el endurecimiento estructural (Al2Cu, Mg2Si y Zn2Mg): 9 Por envejecimiento a temperatura ambiente se lleva a cabo en días (envejecimiento natural), estado T4 9 Por envejecimiento artificial, es decir un calentamiento en horno durante algunas, estado T6 ¾ Si se quiere realizar un envejecimiento artificial, se tiene que hacer inmediatamente después del temple, pues de lo contrario ocurrirá envejecimiento natural 66

ENVEJIMIENTO Sobreenvejecimiento ¾ Si durante el envejecimiento se calienta: 9 por períodos largos o 9 a una temperatura demasiado elevada 9 el precipitado se vuelve grueso y se reduce la dureza, la resistencia mecánica y la conductividad eléctrica.

67

PROPIEDADES CON AMBOS TIPOS DE ENVEJECIMIENTO

ALEACIÓN

σmáx (MPa)

ELONGACIÓN (%)

DENSIDAD (g/cm3)

AA6061 – T4

235

21

2,7

AA6061 - T6

310

14

2,7

AA6082 - T4

260

19

2,7

AA6082 - T6

340

11

2,7

Acero ASTM A – 36 (St 37)

400

23

7,8

68

DESIGNACIÓN DE LOS ESTADOS “T” ¾ T1: Tratamiento de temple desde la temperatura de extrusión y envejecimiento (maduración) natural (a temperatura ambiente). ¾ T2: Tratamiento de temple desde la temperatura de extrusión, acritud (deformado en frío) y maduración natural. ¾ T3: Tratamiento térmico de solución, temple, acritud y maduración natural. ¾ T4: Tratamiento térmico de solución, temple, y maduración natural. ¾ T5: Tratamiento térmico de temple desde la temperatura de extrusión y maduración artificial (en horno). ¾ T6: Tratamiento térmico de solución, temple y maduración artificial.

69

TIPOS DE TRATAMIENTO TÉRMICO ¾ T7: Tratamiento térmico de solución, temple y sobremaduración (sobreenvejecimiento).

Los

productos

son

madurados

artificialmente mas allá del límite correspondiente a la máxima resistencia. ¾ T8: Tratamiento térmico de solución, temple, acritud y maduración artificial. ¾ T9: Tratamiento térmico de solución, temple, maduración artificial y acritud. ¾ T10: Tratamiento térmico de temple desde la temperatura de extrusión, acritud y maduración artificial.

70

PROPIEDADES CON DIFERENTES TIPOS DE TRATAMIENTO Propiedades de la aleación AA6063 (Al - 0,7Mg - 0,4Si) σF

σMÁXIMO

Alargamiento

Dureza

(MPa)

(MPa)

%δ

HB

O

50

100

27

25

T1

90

150

26

45

T4

90

160

21

50

T5

175

215

14

60

T6

210

245

14

75

T8

240

260

12

80

Estado

71

ALEACIONES: ALUMINIO – COBRE SERIE AA2XXX

72

ALEACIONES ALUMINIO COBRE: serie AA2XXX ¾ Las aleaciones que pertenecen a la serie AA2XXX: 9 son tratables térmicamente, 9 algunas de las aleaciones de este grupo presentan buenas combinaciones de resistencia mecánica (especialmente a temperaturas elevadas) y dureza 9 en casos específicos, presentan buena soldabilidad 9 no son muy resistentes a la corrosión atmosférica, y comúnmente se protegen con pinturas, recubrimientos o con capas delgadas de aluminio de alta pureza. 73

ALEACIONES ALUMINIO COBRE: serie AA2XXX ¾ Las aleaciones que presentan las resistencias mecánicas más elevadas se emplean principalmente en la fabricación de aeronaves (AA2024) y para fabricar el cuerpo de camiones (AA2014); se usan comúnmente remachados. ¾ Las aleaciones AA2219 y AA2048 se sueldan con relativa facilidad y se emplean para aplicaciones aeroespaciales donde este método de unión se emplea.

74

ALEACIONES ALUMINIO COBRE: serie AA2XXX

α

α+L

α + Al2Cu

Porción rica en aluminio del sistema Al-Cu

75

ALEACIONES ALUMINIO COBRE: serie AA2XXX Composición química de aleaciones de aluminio de la serie AA2XXX Aleación

% Si

% Fe

% Cu

% Mn

% Mg

AA2011

0,40

0,70

5,00–6,00

---

---

AA2014

0,5–1,20

0,70

AA2017

0,2–0,80

AA2024

0,50

% Zn % Ti % Otros 0,30

---

0,15 (*)

3,90–5,00 0,40–1,20 0,20-1,80

0,25

0,15

0,15(**)

0,70

3,50–4,50 0,40–1,00 0,40-1,00

0,25

0,15

0,15(**)

0,50

3,80–4,90 0,30–0,90 1,20-1,80

0,25

0,15

0,15(**)

Resto Aluminio. (*) 0,2 – 0,6 Bi; (**) 0,20 (Zr + Ti) 76

ALEACIONES ALUMINIO COBRE: serie AA2XXX Propiedades de aleaciones de aluminio de la serie AA2XXX Aleación

AA2011

AA2014

Estado

σmáx (MPa)

σF (MPa)

Alargamiento %δ

Dureza HB

T3

365

290

15

95

T4

350

270

18

90

T6

395

300

12

110

T8

420

315

13

115

O

190

85

20

55

T4

430

275

18

110

T6

485

425

12

140 77

ALEACIONES ALUMINIO COBRE: serie AA2XXX Propiedades de aleaciones de aluminio de la serie AA2XXX σmáx

σF

Alargamiento

Dureza

(MPa)

(MPa)

%δ

HB

O

180

70

20

45

T4

425

275

21

105

O

185

75

20

55

T3

475

340

18

120

T4

460

330

20

120

T8

485

450

-

130

Aleación Estado AA2017

AA2024

78

ALEACIONES ALUMINIO COBRE: serie AA2XXX

Izq) Estructura interna de una aeronave, se emplea aleaciones como la AA2024, AA2124 y AA2618 y Der) Los tanques de combustible y los cohetes de impulso del trasbordador espacial son de aleaciones de la serie AA2XXX, originalmente AA2219 y AA2419, en la actualidad se emplea a veces aleaciones Al-Cu-Li soldables como la AA2195 79

ALEACIONES: ALUMINIO – MAGNESIO – SILICIO SERIE AA6XXX

80

ALEACIONES Al – Mg – Si: serie AA6XXX ¾ Las aleaciones de la serie AA6XXX son tratables térmicamente y presentan una resistencia a la tracción moderadamente alta junto con buena resistencia a la corrosión. ¾ Presentan buena soldabilidad operativa. Se sueldan con cierta facilidad. ¾ Su soldabilidad metalúrgica se ve disminuida por el material de aporte que es de diferente composición química y no es tratable térmicamente. ¾ Un aspecto único es su facilidad para fabricar piezas mediante extrusión, siendo los primeros en la elección de elementos arquitectónicos y miembros estructurales donde se requieren moderada resistencia mecánica y rigidez.

81

ALEACIONES Al – Mg – Si: serie AA6XXX Porción rica en Al del sistema Al-Mg2Si

82

ALEACIONES Al – Mg – Si: serie AA6XXX ¾ La zona de composición de interés técnico, en las aleaciones de la serie AA6XXX, se halla entre los límites desde 0,3 hasta 1,5 % de Mg y de 0,2 hasta 1,6 % de Si. ¾ Esto corresponde aproximadamente de 0,4 hasta 1,6 % de Mg2Si, además de una parte variable de Si o Mg libre. ¾ La influencia del Mg2Si, sobre la resistencia a la tracción de las aleaciones

de

Al-Mg-Si

con

T6

(solubilizado

y

envejecido

artificialmente), se deduce de la siguiente figura. ¾ El exceso de Si provoca un aumento notable de la resistencia mecánica. ¾ También un exceso de Mg eleva la resistencia, aunque mucho más débilmente.

83

ALEACIONES Al – Mg – Si: serie AA6XXX

Resistencia máxima (MPa)

300 250 200 150 100

a b c

50 0 0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

en masade de Mg M g2Si % en%masa 2Si a: Composición estequiométrica (Mg:Si 1,73:1) , b: Exceso de 0,3 de Mg y c: Exceso de 0,3 de Si. 84

ALEACIONES Al – Mg – Si: serie AA6XXX Composición química de aleaciones de aluminio de la serie AA6XXX Aleación

% Si

% Fe

% Cu

% Mn

% Mg

% Zn

% Ti % Otros

AA6005

0,5–0,90

035

0,10

0,30

0,40–0,70

020

0,10

0,15 (*)

AA6012

0,6–1,40

0,70

0,10

0,40–1,00 0,60–1,20

0,30

0,30

0,15 (**)

00,10 AA6060

0,3–0,60

a

0,10

0,10

0,35–0,60

0,15

0,10

0,15

0,30 AA6061

0,4–0,80

0,70

0,15-0,4

0,15

0,80–1,20

0,25

0,15

0,15

AA6063

0,2–0,60

0,35

0,10

0,10

0,45–0,90

0,10

0,10

0,15

Aluminio resto. (*) 0,12 – 0,5 (Mn + Cr); (**) 0,70 (Bi) 85

ALEACIONES Al – Mg – Si: serie AA6XXX Propiedades de aleaciones de aluminio de la serie AA6XXX Aleación Estado

AA6060

AA6061

O Tl T4 T5 T6 O T4 T6

σmáx (MPa) 100 150 160 220 245 125 235 310

σF (MPa) 50 90 90 185 215 55 140 270

Alargamiento %δ 27 25 20 13 13 27 21 14

Dureza HB 25 45 50 75 85 30 65 95 86

ALEACIONES Al – Mg – Si: serie AA6XXX Propiedades de aleaciones de aluminio de la serie AA6XXX Aleación

AA6063

σmáx

σF

Alargamiento

Dureza

(MPa)

(MPa)

%δ

HB

O

100

50

27

25

T1

150

90

26

45

T4

160

90

21

50

T5

215

175

14

60

T6

245

210

14

75

T8

260

240

9

80

Estado

87

ALEACIONES Al – Mg – Si: serie AA6XXX Composición química nominal de la aleación (AA6082) % en Mg Si Mn Fe Cr Cu Zn peso mínimo 0,6 0,7 0,4 0,0 0,0 0,0 0,0 máximo 1,2 1,3 1,0 0,5 0,2 0,1 0,2

Ti

OTROS

Al

0,0 0,1

otros total resto 0,05 0,10

Propiedades típicas a temperatura ambiente 20 ºC (AA6082) Módulo elástico (MPa) 70 000

Densidad (g/cm3) 2,71

Intervalo de fusión ( ºC ) 575 - 650

Coeficiente de dilatación (1 / 106 K) 23,1 88

ALEACIONES Al – Mg – Si: serie AA6XXX Propiedades mecánicas típicas a temperatura ambiente 20 ºC (AA6082) CARACTERÍSTICAS A LA TRACCIÓN Estado O T1 T4 T5 T6

σmáx (MPa) 130 260 260 325 340

σ0,2 (MPa) 60 170 170 275 310

δ (%) 27 14 19 11 11

Dureza Brinell (HB) 35 70 70 90 95

O: Recocido total, T1: Temple en prensa y envejecimiento natural, T4: Solubilizado, temple y envejecimiento natural, T5: Temple en prensa y envejecimiento artificial, T6: Solubilizado, temple y envejecimiento artificial. 89

ALUMINIO MAGNESIO: serie AA6XXX

Se emplean en la fabricación de perfiles mediante el proceso de conformado por extrusión

90

ALEACIONES: ALUMINIO - ZINC SERIE AA7XXX

91

ALEACIONES ALUMINIO ZINC: serie AA7XXX ¾ Las aleaciones comerciales forjadas contienen zinc como aleante principal, además contienen: 9 Magnesio, cobre, y 9 menores adiciones de manganeso y cromo. ¾ Las aleaciones que desarrollan las más altas resistencias a la tracción que se pueden obtener en las aleaciones de aluminio son: 9 AA7075 (5,5 % Zn; 2,5% Mg y 1,5 % Cu) 9 AA7079 (4,3 % Zn; 3,3 % Mg; y 6,0 % Cu) 9 AA7178 (6,8 % Zn; 2,7 % Mg y 2,0 % Cu) 92

ALEACIONES ALUMINIO ZINC: serie AA7XXX Composición química de aleaciones de aluminio de la serie AA7XXX Aleación AA7003

% Si

% Fe

0,30 0,35

% Cu

% Mn

% Mg

% Zn

% Ti

% Otros

0,20

0,30

0,50 - 1,00

5,00 - 6,50

0,20 (+ Zr)

0,15

0,20

0,05 a 0,50

1,00 - 1,40

4,00 - 5,00

0,25 (+ Zr)

0,15 (*)

AA7020

0,35 0,40

AA7049

0,40 0,50 1,20 - 1,9

0,50

2,10 - 3,10

7,20 - 8,40

0,25 (+ Zr)

0,15

AA7050

0,12 0,15 1,90 - 2,5

0,10

2,00 - 2,70

5,90 - 6,90

0,06

0,15

AA7075

0,40 0,50 1,20 - 2,0

0,30

2,10 - 2,90

5,10 - 6,10

0,20 (+ Zr)

0,15

AA7175

0,15 0,20 1,20 - 2,0

0,10

2,10 - 2,90

5,10 - 6,10

0,20 (+ Zr)

0,15

Resto aluminio. (*) 0,08 – 0,2 (Ga) 93

ALEACIONES ALUMINIO ZINC: serie AA7XXX Propiedades de aleaciones de aluminio de la serie AA7XXX Aleación Estado AA7020

AA7075 AA7079 AA7178

O T5 T6 O T6 T7 O T6 O T6

σmáx (MPa) 180 375 380 225 570 505 228 538 228 607

σF (MPa) 80 315 335 105 505 435 103 469 103 538

Alargamiento %δ 24 14 13 --10 13 16 14 16 11

Dureza HB 55 110 120 60 150 140 60 145 60 160 94

ALEACIONES DE ALUMINIO SERIE AA8XXX

95

ALEACIONES DE ALUMINIO: serie AA8XXX ¾ No cubierta por otra serie. ¾ La serie AA8XXX se usa para aleaciones con menores contenidos de elementos aleantes tales como: Fe, Ni y Li. ¾ Cada tipo de aleación se emplea para las características particulares que proporciona el aleante: Fe y Ni proporcionan resistencia mecánica con poca pérdida en conductividad eléctrica como AA8017 para conductores. ¾ El litio presente en la aleación AA8090 eleva el módulo de elasticidad (módulo de rigidez) y confiere elevada resistencia mecánica, se emplea en aplicaciones aeroespaciales donde el aumento en rigidez combinado con la resistencia mecánica alta reduce el peso de componente.

96