6.ALEACIONES DE ALUMINIO

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1 6.ALEACIONES DE ALUMINIO
El aluminio ha tenido un gran incremento de consumo porque presenta diversas ventajas: Bajo peso específico, esto es de gran interés en aviación y tecnología aerospacial. Algunas aleaciones logran alta resistencia Buena conductividad eléctrica y térmica Alta reflectividad de la luz y el calor Resistente a la corrosión en diversas condiciones No es tóxico Se puede fundir fácilmente Se pueden dar muchas terminaciones superficiales, lo cual le da un atractivo decorativo

2 Clasificación y Designaciones
Las aleaciones destinadas a deformación en frío o caliente se designan de acuerdo con la Norma "Aluminum Standards and Data", Aluminum Association Inc. 1976: Aleación: X1 X2 X3 X4 X1 caracteriza el principal elemento de aleación: 1  Al  99% 2  Cu 3  Mn 4  Si 5  Mg 6  Mg y Si 7  Zn 8  Otros X2 indica una aleación modificada respecto de la original, de este modo si X2 = 0, indica la aleación original. X3 y X4: dependen de la serie, de esta forma se tiene que: Para la serie 1XXX, X3 y X4 implican 99, donde X3 X4 indican el % de Al. Para las series 2 a 8, estos dígitos no tienen un significado muy preciso, sólo diferencian aleaciones

3 Designación según nivel de dureza por deformación y recocido
F : (as fabricated), no se dan límites a las propiedades mecánicas. O : Recocido y recristalización H : Endurecido por deformación T : Tratado térmicamente El endurecimiento H se puede subdividir: HX1X2X3, donde: - X1 =1: sólo endurecido por deformación; =2: endurecimiento por deformación + recocido parcial; = 3: endurecimiento por deformación + estabilización a baja temperatura - X2 indica el grado de endurecimiento por deformación, donde 1 es mínimo y 8 es máximo. - X3 representa las variaciones del endurecimiento indicado por X2.

4 Designación por tratamiento térmico
T1 : Producto enfriado desde la temperatura de fabricación, y luego envejecido naturalmente T3 : Solución, trabajada en frío y con envejecimiento natural T4 : Solución con envejecimiento natural T5 : igual a T1, pero con envejecimiento artificial T6 : igual a T4, pero con envejecimiento artificial T7 : Solución y estabilizado T8 : Solución, trabajado en frío y con envejecimiento artificial

5 6.1 Aluminio Puro Comercial
Tiene 99,30 a 99,70% de Al. La mayor pureza se utiliza en conductores eléctricos. Es blando, dúctil, conformable y soldable. Se pueden dar terminaciones superficiales de distintos tipos y tiene buena resistencia a la corrosión. Típicas inclusiones que se observa en el aluminio puro son: FeAl3 y Si Propiedades Mecánicas Típicas Tipo Dureza UTS (MPa) YS (MPa) % Elongación , H H 6.2 Aleaciones Al - Mn, Serie 3XXX Si se agrega un 1,2% de Mn, lo que corresponde a la serie 3XXX, la matriz de aluminio se endurece por solución sólida y por una fina dispersión de precipitados (Mn, Fe)Al6. La UTS llega a 6 Kpsi y el % de elongación es del 20 %.

6 6.3 Aleaciones Al - Mg, Serie 5XXX
En general estas aleaciones contienen 1 a 5 % de Mg. Si bien la forma del diagrama de fases se presta para endurecimiento por precipitación, este endurecimiento es significativo solo para % Mg > 7. La mayor cantidad de Mg queda en solución sólida y sobre 3,5% de Mg precipita Mg2Al3 a baja temperatura. El Mg endurece la aleación y le aumenta su coeficiente de acritud, n, Muchas de estas aleaciones se usan con fines decorativos, ya que poseen buena formabilidad y soldabilidad con arcos protegidos con Argón. Figura Diagrama de fases del Al-Mg.

7 Propiedades Mecánicas Típicas
6.3 Aleaciones Al - Mg, Serie 5XXX Propiedades Mecánicas Típicas Tipo Grado UTS (MPa) YS (MPa) %Elongación (5,1% Mg) H 6.4 Aleaciones Aluminio - Cobre, Serie 2XXX El cobre es uno de los más importantes elementos de aleación del Al por que produce considerable endurecimiento por solución sólida y también por envejecimiento. Algunas aleaciones Al-Cu típicas son las siguientes: 2011: 5,5% Cu; 0,4% Bi y 0,4% Pb 2025: 4,5% Cu; 0,8% Cu; 0,8% Si; se usa para piezas de forja y productos para aviación. 2219: 6,3% Cu; 0,3% Mn; 0,06% Ti; 0,1% V; 0,18% Zr; se usa principalmente para piezas para aviación. En general el porcentaje de Cu es cercano al máximo que puede disolverse en solución sólida a 548°C, esta solubilidad baja fuertemente al descender la temperatura hasta la temperatura ambiente, la característica antes mencionada hace posible el endurecimiento por precipitación o envejecimiento.

8 6.4 Aleaciones Aluminio - Cobre, Serie 2XXX (continuación)

9 5.4.1 Endurecimiento por precipitación de una aleación Al - 4%Cu
1-Tratamiento de solución: se alcanza región  a 515 °C 2.- Temple rápido a temperatura ambiente o menor; es importante que este enfriamiento sea realizado rápidamente para evitar cualquier precipitación de CuAl2 3.- Envejecimiento o precipitación de finos precipitados de segunda fase.

10 5.4.1 Endurecimiento por precipitación de una aleación Al - 4%Cu

11 Precipitación de Zonas Guinier Preston y CuAL2
La precipitación de la segunda fase sigue 5 etapas secuenciales: Solución sobresaturada Zonas Guinier-Preston, GP1: Luego de envejecer 16 horas a 130°C se forman placas, discos, GP1, paralelos al plano {100} de la matriz FCC. Estas placas tienen 100 Å de diámetro y unos pocos átomos de espesor, 4 a 6 Å. Se observan con microscopio electrónico, (x106), por los campos de deformaciones en torno a ellos. Estas zonas GP1 impiden el movimiento de dislocaciones, aumentan la dureza y bajan la ductilidad. No se conoce bien su estructura cristalina, pero si se sabe que su % Cu es < que 17. Zonas GP2: Estas zonas son también coherentes con los planos {100} de la matriz. A medida que pasa el tiempo, éstas se van engrosando a dimensiones de: 100 a 1000 Å de diámetro y 10 a 40 Å de espesor. Su estructura cristalina es tetragonal con c igual a 8,08 Å y a igual a 7,65 Å, poseen un %Cu < 17. Las zonas GP2 aumentan aun más la dureza del material.

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13 Precipitación incoherente
Precipitación coherente

14 Fases θ y θ’. Sobreenvejecimiento
Fase ': Cuando se forma la fase ' ya se produce sobreenvejecimiento. ' no se genera a partir de GP1 o GP2, sino que nuclea heterogéneamente en dislocaciones y no es coherente con la matriz. Su tamaño depende del tiempo de envejecimiento y varía entre 100 y 6000 Å de diámetro y entre 100 y 150 Å de espesor. Su estructura cristalina tetragonal. Fase : Cuando el envejecimiento se realiza a alta temperatura, 190°C, y por tiempos prolongados se produce la fase de equilibrio , CuAl2, ésta es incoherente con la matriz y tiene una estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo con c igual a 4,87 Å y a igual a 6,07 Å. Su presencia produce sobreenvejecimiento o reblandecimiento.

15 Envejecimiento y sobre envejecimiento

16 Relación dureza – temperatura - tiempo de envejecimiento
La Figura muestra la relación entre temperatura y tiempo de envejecimiento con la dureza adquirida. El envejecimiento a menor temperatura toma tiempos más prolongados, pero permite alcanzar mayores durezas, debido a que hay más abundante nucleación de precipitados que no alcanzan a crecer mucho. Figura Relación entre fases precipitadas y durezas del Al-4 %Cu para envejecimiento a 130 ºC y 190 ºC.

17 La Figura 5.4-3 muestra la secuencia de formación de fases en función del tiempo y de la temperatura
Figura Secuencia de precipitación de segunda fase en aleación Al - 4% Cu (a) Al-4% Cu, calentada a 540ºC, templada en agua y envejecida por 16 horas a 130ºC; (b) Al-4% Cu, calentada a 540ºC, templada en agua y envejecida por 1 día a 130ºC; (c) Al-4% Cu, calentada a 540ºC, templada en agua y envejecida por 3 días a 200ºC.

18 Estas aleaciones pueden endurecerse aún más si luego del temple se deforman en frío y luego se envejecen, (tratamientos T81 y T87). La deformación en frío introduce una mayor densidad de dislocaciones, lo cual genera una mayor cantidad de puntos de nucleación para la segunda fase, lográndose así una más abundante nucleación (Figura 5.4-4). Figura Secuencia de precipitación de segunda fase en aleación 2024, mediante envejecimiento precedido por deformación plástica. (a) Aleación 2024-T6, tratada térmicamente, templada y envejecida por 12 horas a ºC; (b) Aleación 2024-T81, tratada térmicamente, templada, deformada un 1.5% y envejecida por 12 horas a 190ºC; (c) Aleación 2024-T86, tratada térmicamente, templada, laminada en frío y envejecida por 12 horas a 190ºC.

19 Propiedades mecánicas de aleaciones envejecidas
Aleación Tratamiento Tensión Fluencia (Mpa) Tensión Máxima (Mpa) % elongación 2011 T3 296 380 15 T6 270 393 17 T8 310 407 12 2219 O 70 172 20 T31 250 372 T62 T87 290 415 476 10

20 5.5 Aleaciones Aluminio-Cu-Mg
La adición de Mg a las aleaciones Al-Cu, acelera e intensifica el endurecimiento por precipitación. Produciéndose la siguiente secuencia de precipitaciones: Solución sobresaturada  Zonas GP  (Al2CuMg)' ( S )'  (Al2CuMg) ( S ) Características típicas que se pueden obtener con aleaciones Al-Cu-Mg se presentan en la tabla siguiente: Alea- ción Trata-miento térmico Tensión Fluencia (Mpa) Tensión Máxima (Mpa) % Elon-gación 2014 O 97 186 18 T4 290 428 20 T6 414 483 13 2224 76 T3 345 324 470 393 476 10 T86 490 517 6 La variación de la resistencia mecánica en función del tiempo y de la temperatura de envejecimiento se muestra en la Figura Se observa que se obtienen mayores resistencias con envejecimientos a menor temperatura, aunque se emplean tiempos más largos.

21 Otras aleaciones endurecibles por precipitación
Serie 6XXX, Al-Mg-Si Con esto se logra alta resistencia mecánica 45 a 57 kpsi con un tratamiento T6. Además tienen buena resistencia a la corrosión, este aspecto es importante por que las aleaciones endurecidas por precipitación tienen menor resistencia a la corrosión que el aluminio puro, pues se forman corrientes de corrosión entre los precipitados y la matriz. Serie 7XXX, Al- Zn-Mg Contienen 4,8% Zn y 1 a 3% Mg. Estas aleaciones desarrollan las más altas resistencias mecánicas de las aleaciones comerciales de aluminio. Una aleación muy conocida es la 7075, ésta contiene como elementos aleantes: 5,6% Zn, 2,5% Mg, 1,6% Cu y 0,3% Cr. La secuencia de precipitación es: 1. Zonas GP (coherente) 2. (MgZn2) (semicoherente) 3. (MgZn2) (incoherente)

22 Figura 5.6-1. Relación entre resistencia mecánica, temperatura
y tiempo de envejecimiento en una aleación 2014.

23 5.7 Aleaciones de Aluminio Para Piezas Fundidas
Con estas aleaciones se busca fluidez, aptitud para alimentar el molde, resistencia, ductibilidad y resistencia a la corrosión. Entre este tipo de aleaciones destacan: Aleaciones Al-Si. Son las aleaciones de más importancia para piezas fundidas, tienen alta fluidez, por lo que es fácil de alimentar los moldes con ella. Además el Si no reduce la resistencia a la corrosión del Al puro. El diagrama de fases es un simple eutéctico. Las aleaciones más importantes son la 443 (5,3% Si) y la 413 (12% Si). Las partículas de Si se refinan al agregar Na en pequeña proporción, alrededor de 0,025%, así por ejemplo al agregar Na a una aleación de 7% Si, la UTS pasa de 6 a 10%, y al refinar el Si, el Na mejora la alimentación del aluminio en el molde. Aleaciones Al-Mg-Si Se puede aumentar la resistencia mecánica de los anteriores, si se agrega 0,35% de Mg. El Mg produce un cierto envejecimiento por precipitación. En estas aleaciones hay que disminuir su contenido de fierro, ya que éste forma agujas, espadas, de Fe2Si2Al9, aquí el Fe reduce drásticamente la ductilidad de 14% a 1% y la UTS de 31 a 11 kpsi.

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25 Aleaciones Aluminio-Silicio, Al-Si
La Figura muestra el diagrama de fases Aluminio – Silicio, el que presenta un punto eutéctico. El Silicio se desarrolla en forma faceted. Cuando el crecimiento se efectúa a baja velocidad, la fase Si se desarrolla con formas geométricas más regulares. Si se agrega Na a la aleación el Silicio toma forma de fibras más cortas aumentando la ductilidad de la aleación Figura (a).

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27 Aleación Al – Si hipoeutéctica (<12,6%Si)
Islotes blancos son dendritas de fase , muy rica en Al. La matriz es eutéctico  + Si. El Si aparece como agujas muy finas, revelando que fue refinado por adición de Na. (a) Aleación Al-Si refinamiento mediante la adición de Na; (b) Fibras de Si en aleación eutéctica Al-Si modificada con Na, observa­ción con microscopio electrónico de barrido.