Aleación de aluminio-cobre

Las aleaciones de aluminio y cobre ( AlCu ) son aleaciones de aluminio , aleaciones que consisten principalmente en aluminio (Al), que contienen cobre (Cu) como principal elemento de aleación . Los tipos importantes todavía contienen aditivos de magnesio y silicio (AlCu (Mg, Si)), y el manganeso a menudo también se incluye para aumentar la resistencia (ver AlMn ). El campo de aplicación principal es la construcción de aviones . Las aleaciones tienen resistencias medias a altas y se pueden endurecer por envejecimiento . Están disponibles tanto en aleación forjada como fundida . Las desventajas son su susceptibilidad a la corrosión y su escasa soldabilidad . Están estandarizados en la serie 2000. El duraluminio es la variedad más antigua de este grupo y se remonta a Alfred Wilm , quien la descubrió en 1903. Fue solo mediante el uso de aleaciones de aluminio-cobre que el aluminio pudo usarse como un material de construcción generalizado , ya que el aluminio puro es demasiado blando para esto, y otras aleaciones endurecibles como las aleaciones de aluminio-magnesio-silicio (AlMgSi) o las aleaciones naturalmente duras (no endurecibles) siguen siendo no eran conocidos.

Tipos, elementos de aleación y contenido

Como ocurre con casi todas las aleaciones de aluminio, se hace una distinción entre las aleaciones forjadas para laminación y forja y las aleaciones fundidas para fundición .

El contenido de cobre suele estar entre el 3 y el 6%. Entre el 0,3% y el 6% se consideran imposibles o muy difíciles de soldar (por fusión ), con mayores contenidos de Cu son soldables. La mayoría de los tipos todavía contienen aditivos de magnesio , manganeso y silicio para aumentar la resistencia. El plomo y el bismuto forman pequeñas inclusiones que se funden a bajas temperaturas y, por lo tanto, conducen a una mejor formación de virutas , similar al acero de corte libre . La resistencia al calor aumenta agregando níquel y hierro.

El hierro, que se encuentra en las aleaciones técnicas como impureza, evita el endurecimiento en frío . Se vuelve posible añadiendo magnesio. Cantidades mayores de magnesio, hasta un 1,5%, aumentan la resistencia y el alargamiento a la rotura (ver AlMg ). El manganeso también se usa para aumentar la fuerza (ver AlMn ). Sin embargo, cantidades mayores tienen efectos secundarios negativos, por lo que el contenido se limita a aproximadamente 1% de Mn. Se agregan pequeñas adiciones de silicio para unir el hierro, ya que preferentemente forma la fase AlFeSi, mientras que la formación de Al ₇ Cu ₂ Fe eliminaría mayores cantidades de cobre del material, que luego ya no conduciría a la formación de las fases realmente deseadas (esp Al ₂ Cu, aluminuro de cobre ) están presentes. Se agregan cantidades mayores de silicio para formar Mg ₂ Si ( siliciuro de magnesio ) con magnesio , que, como AlMgSi, mejora la resistencia y la templabilidad.

Algunas aleaciones todavía contienen litio con contenidos entre 1,5% y 2,5%. Debido a la muy baja densidad del Li (0,53 g / cm³ en comparación con 2,7 g / cm³ de aluminio), esto conduce a componentes más ligeros, lo que es particularmente ventajoso en la aviación. Para obtener más información, consulte la aleación de aluminio y litio .

Fundición de aleaciones

Las aleaciones de fundición contienen alrededor de un 4% de cobre y otras pequeñas cantidades de aditivos que mejoran la capacidad de fundición , incluidos el titanio y el magnesio . El material de partida es aluminio primario ; El aluminio secundario (hecho de chatarra), a diferencia de otras aleaciones de fundición de aluminio, no se utiliza porque reduce el alargamiento a la rotura y la tenacidad. Las aleaciones de fundición AlCu tienden a agrietarse en caliente y se utilizan en los estados de endurecimiento T4 y T6.

La siguiente tabla muestra la composición de algunos grados según DIN EN 1706. Todos los datos en porcentaje en masa , el resto es aluminio.

Aleaciones forjadas

Propiedades mecánicas

Condiciones:

• O blando ( recocido blando , también conformado en caliente con los mismos valores límite de resistencia).
• T3: recocido en solución, templado, endurecido por deformación y envejecido artificialmente
• T4: recocido en solución, templado y envejecido artificialmente
• T6: recocido en solución, templado y envejecido artificialmente
• T8: recocido en solución, endurecido por deformación y envejecido artificialmente

Aplicaciones

Las aleaciones de aluminio-cobre se utilizan principalmente en la construcción de aviones , donde su baja resistencia a la corrosión juega un papel secundario. Las aleaciones se procesan mediante laminación , forja , extrusión y, a veces, mediante fundición .

Aleaciones forjadas de AlCu puro

Extracto del diagrama de fases relevante para las aleaciones técnicamente utilizadas

Diagrama de fases completo

Todas las aleaciones AlCu se basan en el sistema de aleaciones AlCu puras.

Solubilidad del cobre y fases.

El aluminio forma un eutéctico con cobre a 547 ° C y 33 por ciento en masa de cobre, que también corresponde a la máxima solubilidad. A temperaturas más bajas, la solubilidad cae drásticamente; a temperatura ambiente es sólo del 0,1%.

A mayores contenidos de cobre, se forma la fase Al ₂ Cu , una fase intermetálica . Está en una estructura tetragonal que es tan diferente de la estructura cúbica de aluminio centrada en las caras que la fase solo existe como una fase incoherente . También están las fases y parcialmente coherentes .${\ Displaystyle \ theta}$${\ Displaystyle \ theta}$${\ Displaystyle \ theta ''}$${\ Displaystyle \ theta '}$

Transformaciones estructurales

Después de la fundición, el material es por lo general un sobresaturada - solución sólida antes de que incluso a temperatura ambiente ya contiene cobre podría ser considerado realmente resuelto a esta temperatura. ${\ Displaystyle \ alpha}$

• Posteriormente, a temperaturas inferiores a 80 ° C, se forman zonas GP ( zonas GP (I)) en las que están presentes concentraciones aumentadas de cobre, pero que aún no tienen estructura ni forman sus propias fases.
• A temperaturas ligeramente más altas de hasta 250 ° C, se forma la fase (también llamada zonas GP (II)), lo que aumenta la resistencia.${\ Displaystyle \ theta ''}$
• A temperaturas aún más altas, se forma la fase parcialmente coherente${\ Displaystyle \ theta '}$
• y nuevamente a temperaturas más altas de alrededor de 300 ° C se forma la fase incoherente , en la que la resistencia disminuye nuevamente.${\ Displaystyle \ theta}$

Los rangos de temperatura individuales se superponen: incluso a bajas temperaturas, se forman - o - fases, pero estas se forman mucho más lentamente que las zonas GP (I / II). Cada una de las fases se forma más rápidamente cuanto mayor es la temperatura.${\ Displaystyle \ theta '}$${\ Displaystyle \ theta}$

Zonas GP (I)

La formación de zonas GP (I) se denomina endurecimiento en frío y se produce a temperaturas de hasta 80 ° C. Son capas diminutas en forma de disco de solo un átomo de espesor y de 2 a 5 nanómetros de diámetro. Con el tiempo, aumenta el número de zonas y la concentración de cobre en ellas, pero no su diámetro. Son coherentes con la red de aluminio y se forman en los planos {100}.

Zonas GP (II)

Las zonas ( fases) GP (II) son en gran parte responsables del aumento de la resistencia de las aleaciones AlCu. Son coherentes con el cristal de aluminio y consisten en capas alternas de aluminio y cobre con espesores de capa de alrededor de 10 nanómetros y dimensiones de hasta 150 nanómetros. A diferencia de las zonas GP (I), se trata de precipitados tridimensionales. Sus capas son paralelas al plano {100} del aluminio. La fase forma las fases, pero hay superposiciones. ${\ Displaystyle \ theta ''}$${\ Displaystyle \ theta ''}$${\ Displaystyle \ theta '}$

Las zonas GP (II) requieren vacantes para el crecimiento , por lo que la falta de estas ( por ejemplo, debido al magnesio) conduce a un retraso en el crecimiento.

Fases parcialmente coherentes

La fase es solo parcialmente coherente con la rejilla de aluminio y se forma a temperaturas de 150 ° C a 300 ° C. Tiene forma de plaquetas y puede surgir de las zonas GP (II). Sin embargo, también puede surgir directamente como precipitación del cristal mixto. En el primer caso, la energía interfacial creciente se reduce por dislocaciones , en el segundo caso los precipitados se forman preferentemente en dislocaciones.${\ Displaystyle \ theta '}$

Fases incoherentes

La fase es incoherente con la red del cristal mixto. Se forma a temperaturas de 300 ° C y más. Por lo general, forma partículas más grandes a una distancia mayor que las otras fases y, por lo tanto, no conduce a un aumento de la resistencia o incluso a una disminución si su formación se produce a expensas de las otras fases. La fase también surge a temperaturas entre 150 ° C y 250 ° C como precipitación en los límites de los granos, ya que esto reduce la energía interfacial. ${\ Displaystyle \ theta}$${\ Displaystyle \ theta}$

La fase conduce a una ruptura parcialmente intergranular ; el comportamiento de la fractura permanece dúctil en general. El cambio en el comportamiento de las fracturas se debe a las zonas libres de precipitación en los límites de los granos. ${\ Displaystyle \ theta}$

La fase tiene una mayor diferencia de potencial en comparación con el cristal mixto, por lo que puede ocurrir corrosión de capa y corrosión intergranular . En el caso de tiempos de recocido más largos, las fases de grano también se separan y la diferencia de potencial es menor.${\ Displaystyle \ theta}$${\ Displaystyle \ theta}$

Aleaciones forjadas de AlCuMg (Si, Mn)

Las aleaciones AlCuMg son el grupo más importante de aleaciones AlCu, en ellas se pueden formar muchas otras fases:

• Al ₈ Mg ₅ ( fase, ver AlMg )${\ Displaystyle \ beta}$
• Al ₂ CuMg, la fase S
• Al ₆ Mg ₄ Cu, la fase T

Las adiciones de magnesio aceleran el proceso de endurecimiento en frío. Qué fases se forman depende principalmente de la proporción de cobre a magnesio. Si la proporción es inferior a 1/1, se eliminan los grupos que contienen Cu y Mg. En una relación de más de 1,5 / 1, que es el caso de la mayoría de las aleaciones técnicas, la fase se forma preferentemente . Estas aleaciones tienen durezas y resistencias significativamente más altas. ${\ Displaystyle \ theta}$

literatura

• Aluminium-Taschenbuch - Volumen 1. 16ª edición, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, págs. 101 y siguientes, 114-116, 121, 139-141.
• George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Manual de aluminio - Volumen 1: Metalurgia física y procesos. Marcel Dekker, Nueva York / Basilea 2003, págs. 140-152.
• Friedrich Ostermann: Tecnología de aplicación de aluminio. 3ª edición, Springer, 2014, ISBN 978-3-662-43806-0 , págs. 117–124.

Evidencia individual

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3. ↑ Aluminium-Taschenbuch - Volume 1. 16ª edición, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 2002, p. 140 f.
4. ^ Friedrich Ostermann: Tecnología de aplicación de aluminio. 3a edición, Springer, 2014, p. 185.
5. ^ Friedrich Ostermann: Tecnología de aplicación de aluminio. 3a edición, Springer, 2014, apéndice.
6. ^ Friedrich Ostermann: Tecnología de aplicación de aluminio. 3a edición, Springer, 2014, apéndice.
7. ^ Friedrich Ostermann: Tecnología de aplicación de aluminio. 3a edición, Springer, 2014, apéndice.
8. ^ Friedrich Ostermann: Tecnología de aplicación de aluminio. 3a edición, Springer, 2014, p. 118.
9. ^ Friedrich Ostermann: Tecnología de aplicación de aluminio. 3a edición, Springer, 2014, p. 119.
10. ^ Friedrich Ostermann: Tecnología de aplicación de aluminio. 3a edición, Springer, 2014, p. 119.
11. ^ Friedrich Ostermann: Tecnología de aplicación de aluminio. 3a edición, Springer, 2014, p. 119 f.
12. ↑ George E. Totten, D. Scott MacKenzie: Manual de aluminio - Volumen 1: Procesos y metalurgia física. Marcel Dekker, Nueva York / Basilea 2003, págs. 140 y sig.
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15. ^ Friedrich Ostermann: Tecnología de aplicación de aluminio. 3a edición, Springer, 2014, p. 120.
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