Exploración del impacto de los elementos de aleación de aluminio

1. Influencia de los elementos de aleación en las aleaciones de aluminio

Cobre (Cu)
En las aleaciones de aluminio-cobre, la solubilidad máxima del cobre en el aluminio es de 5,65% a 548°C, disminuyendo a 0,45% a 302°C. El cobre desempeña un papel crucial en el fortalecimiento de la solución sólida. La precipitación de CuAl₂ durante el envejecimiento contribuye significativamente al endurecimiento por envejecimiento. Normalmente, el contenido de cobre oscila entre 2,5% y 5%, observándose un refuerzo óptimo entre 4% y 6,8%. La mayoría de las aleaciones de aluminio duro contienen cobre dentro de este rango.

Aleaciones de aluminio-silicio (Si)
En las aleaciones de aluminio-silicio, la solubilidad máxima del silicio en la fase rica en aluminio es de 1,65% a la temperatura eutéctica de 577°C. Aunque la solubilidad disminuye a medida que baja la temperatura, estas aleaciones no suelen poder tratarse térmicamente para reforzarlas, pero presentan excelentes propiedades de fundición y resistencia a la corrosión.

Las aleaciones de aluminio-magnesio-silicio combinan magnesio y silicio, formando la fase reforzante Mg₂Si con una relación Mg-Si de aproximadamente 1,73:1. Los ingenieros equilibran cuidadosamente estos elementos para optimizar la resistencia. Algunas aleaciones incluyen cobre para aumentar la resistencia y cromo para mitigar los efectos adversos del cobre sobre la resistencia a la corrosión.

Magnesio (Mg)
La solubilidad del magnesio en el aluminio disminuye con la temperatura. La mayoría de las aleaciones industriales de aluminio deformable contienen menos de 6% de magnesio y un bajo contenido en silicio. Aunque estas aleaciones no pueden tratarse térmicamente, ofrecen buena soldabilidad, resistencia a la corrosión y una resistencia moderada. El magnesio mejora significativamente la resistencia a la tracción, aumentándola en unos 34 MPa por adición de 1%. La adición de manganeso (<1%) refuerza aún más la aleación y mejora la resistencia a la corrosión y la soldabilidad al facilitar la precipitación uniforme del Mg₅Al₈.

Manganeso (Mn)
En las aleaciones Al-Mn, la solubilidad del manganeso es de aproximadamente 1,82% a 658°C. La resistencia de la aleación aumenta con el contenido de manganeso, alcanzando un máximo de elongación a 0,8% Mn. Estas aleaciones no son tratables térmicamente, pero se benefician de la capacidad del manganeso para inhibir la recristalización, refinar la estructura del grano mediante partículas de MnAl₆ y reducir los efectos de las impurezas de hierro mediante la formación de compuestos (Fe, Mn)Al₆. El manganeso se utiliza mucho solo o con otros elementos en las aleaciones de aluminio.

Zinc (Zn)
La solubilidad del zinc en el aluminio es de 31,6% a 275°C, pero desciende a 5,6% a 125°C. El zinc por sí solo ofrece un refuerzo limitado y tiende a provocar grietas por corrosión bajo tensión. Sin embargo, la adición de zinc con magnesio forma fases MgZn₂ que mejoran en gran medida la resistencia a la tracción y el límite elástico. Las aleaciones de aluminio superduro controlan la relación Zn:Mg (~2,7) para maximizar la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión. La serie de aleaciones Al-Zn-Mg-Cu ofrece la mayor resistencia entre las aleaciones de aluminio, por lo que resulta esencial en las industrias aeroespacial, aeronáutica y energética.

2. Influencia de los oligoelementos

Hierro y silicio (Fe-Si)
El hierro y el silicio son impurezas comunes que afectan significativamente a las propiedades de las aleaciones de aluminio. En las aleaciones de forja Al-Cu-Mg-Ni-Fe, el hierro se añade intencionadamente, mientras que el silicio se incluye en las aleaciones de forja Al-Mg-S y en las barras de soldadura y fundiciones Al-Si. Unas proporciones Fe-Si inadecuadas provocan la formación de fases como B-FeSiAl₁₃ o α-Fe₂SiAl₈, que pueden provocar grietas en la fundición y fragilidad si son excesivas.

Titanio y boro (Ti-B)
El titanio, a menudo añadido como aleaciones maestras Al-Ti o Al-Ti-B, forma partículas de TiAl₂ que actúan como núcleos de nucleación para refinar las estructuras fundidas y soldadas. El contenido crítico de titanio es de aproximadamente 0,15%, que se reduce a 0,01% con la presencia de boro.

Cromo (Cr)
El cromo es común en las aleaciones Al-Mg-Si, Al-Mg-Zn y Al-Mg. A 600°C, su solubilidad es de 0,8%, despreciable a temperatura ambiente. El cromo forma intermetálicos como (CrFe)Al₇ y (CrMn)Al₁₂ que dificultan la recristalización, aumentan la tenacidad y reducen las fisuras por corrosión bajo tensión, pero pueden aumentar la sensibilidad al temple y alterar el color de la película anodizada. El contenido de cromo suele mantenerse por debajo de 0,35%.

Estroncio (Sr)
El estroncio modifica las fases intermetálicas de las aleaciones de aluminio, mejorando la plasticidad y la calidad del producto final. En los últimos años ha sustituido al sodio en las aleaciones de fundición Al-Si debido a su efecto de modificación más prolongado y a su mejor reproducibilidad. La adición de estroncio 0,015%-0,03% a las aleaciones de extrusión convierte β-AlFeSi en α-AlFeSi, reduciendo el tiempo de homogeneización.

Comprender el papel de estos elementos de aleación y trazas es esencial para optimizar las propiedades de las aleaciones de aluminio, mejorar el rendimiento de los productos y hacer avanzar los procesos de fabricación en sectores como el aeroespacial, la automoción y la construcción.

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