Aleaciones de aluminio y cobre

Las aleaciones de aluminio y cobre ( AlCu ) son aleaciones de aluminio que se componen principalmente de aluminio (Al) y trazas de cobre (Cu) como principales elementos de aleación . Los grados importantes también contienen aditivos de magnesio , hierro , níquel y silicio ( AlCu(Mg, Fe, Ni, Si) ), a menudo también se incluye manganeso para aumentar la resistencia (ver aleaciones de aluminio y manganeso ). El principal área de aplicación es la construcción aeronáutica. Las aleaciones tienen una resistencia media a alta y se pueden endurecer por envejecimiento . Ambas son aleaciones forjadas  [de] . También están disponibles como aleación fundida. Su susceptibilidad a la corrosión y su mala soldabilidad son desventajosas.

El duraluminio es la variedad más antigua de este grupo y se remonta a Alfred Wilm , quien lo descubrió en 1903. El aluminio solo pudo usarse como material de construcción generalizado gracias a las aleaciones de aluminio y cobre, ya que el aluminio puro es demasiado blando para esta y otras aleaciones endurecibles como las de aluminio, magnesio y silicio (AlMgSi) o las aleaciones naturalmente duras (no endurecibles).

Las aleaciones de aluminio y cobre fueron estandarizadas en la serie 2000 por el Sistema Internacional de Designación de Aleaciones (IADS), creado originalmente en 1970 por la Asociación del Aluminio . La serie 2000 incluye las aleaciones 2014 y 2024 utilizadas en la fabricación de fuselajes.

Las aleaciones de cobre con aluminio como principal metal de aleación se conocen como bronce de aluminio , la cantidad de aluminio es generalmente inferior al 12%.

Duraluminio es un nombre comercial para uno de los primeros tipos de aleaciones de aluminio endurecibles por envejecimiento . El término es una combinación de Dürener y aluminio . Su uso como nombre comercial está obsoleto. El duraluminio fue desarrollado por el metalúrgico alemán Alfred Wilm en Dürener Metallwerke AG . En 1903, Wilm descubrió que después del temple , una aleación de aluminio que contenía un 4% de cobre se endurecería si se dejaba a temperatura ambiente durante varios días. Las mejoras posteriores llevaron a la introducción del duraluminio en 1909. ^[1] El nombre se utiliza principalmente en la ciencia popular para describir todos los sistemas de aleaciones de Al-Cu.

Las aleaciones de aluminio y cobre fueron estandarizadas en la serie 2000 por el sistema internacional de designación de aleaciones (IADS), que fue creado originalmente en 1970 por la Asociación del Aluminio . La serie de 2000 incluye las aleaciones 2014 y 2024 utilizadas en la fabricación de fuselajes.

Todas las aleaciones de AlCu se basan en el sistema de aleaciones de AlCu puro. ^[2]

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

En el caso de contenidos de cobre más elevados, se forma Al _{2 Cu, una} fase intermetálica . Se presenta en una estructura tetragonal, que es tan diferente del sistema cristalino cúbico del aluminio que la fase - sólo existe como fase incoherente  [de] . También existen las fases - y - parcialmente coherentes . ^[2]${\estilo de visualización \theta}$${\textstyle \theta ''}$${\textstyle \theta '}$

Después de la fundición, el material suele estar sobresaturado (cristal mixto), que además contiene más cobre a temperatura ambiente del que realmente se podría disolver a esta temperatura.

• Después de esto, a temperaturas inferiores a 80 °C se forman zonas GP (zonas GP(I)), en las que hay mayores concentraciones de cobre, pero que aún no tienen una estructura ni forman sus propias fases.
• A temperaturas ligeramente más altas, de hasta 250 °C, se forma una fase (también llamada zonas GP(II)), que aumenta la resistencia.${\textstyle \theta ''}$
• A temperaturas aún más altas, se forman formas parcialmente coherentes de fase .${\textstyle \theta '}$
• A temperaturas aún más altas, de aproximadamente 300 °C, se forma la fase incoherente en la que la fuerza disminuye nuevamente.${\textstyle \theta}$

Los rangos de temperatura individuales se superponen: incluso a bajas temperaturas, se forman fases - o - , pero estas se forman mucho más lentamente que las zonas GP(I/II). Cada una de las fases se forma más rápido cuanto más alta es la temperatura. ^{[3] [4]}${\textstyle \theta '}$${\textstyle \theta}$

La formación de zonas GP(I) se denomina endurecimiento natural y se produce a temperaturas de hasta 80 °C. Son diminutas capas en forma de disco de un solo átomo de espesor y de 2 a 5 nanómetros de diámetro. Con el tiempo, el número de zonas aumenta y la concentración de cobre en ellas aumenta, pero no su diámetro. Son coherentes con la red de aluminio y se forman en los planos {100}. ^{[5] [6]}

Las zonas GP(II) ( fases -) son en gran medida responsables del aumento de la resistencia de las aleaciones de AlCu. ^[5] Son coherentes con el cristal de aluminio y consisten en capas alternas de aluminio y cobre con espesores de capa de aproximadamente 10 nanómetros y dimensiones de hasta 150 nanómetros. A diferencia de las zonas GP(I), estas son precipitaciones tridimensionales. Sus capas son paralelas al plano de aluminio {100}. A partir de la fase - se forman las fases -, pero hay superposiciones.${\textstyle \theta ''}$${\displaystyle \theta ''}$${\displaystyle \theta '}$

Las zonas GP(II) necesitan vacantes para el crecimiento, por lo que la falta de éstas (por ejemplo, debido al magnesio) conduce a un retraso en el crecimiento. ^{[5] [7]}

La fase - es sólo parcialmente coherente con la red de aluminio y se forma a temperaturas de 150 °C a 300 °C. Tiene la 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 tensión superficial creciente se reduce por dislocaciones , en el segundo caso, los precipitados se forman preferentemente en las dislocaciones. ^{[8] [9]}${\textstyle \theta '}$

La fase - es incoherente con la red del cristal mixto. Se forma a temperaturas de 300 °C y más. Normalmente forma partículas más grandes con un espaciamiento mayor que las otras fases y, por lo tanto, no conduce a ningún aumento de la resistencia o incluso a una caída si su formación se produce a expensas de las otras fases. La fase - también se presenta a temperaturas entre 150 °C y 250 °C como precipitación en los límites de grano , ya que esto reduce la tensión superficial .${\textstyle \theta}$${\textstyle \theta}$

La fase - produce una fractura intergranular parcial, pero el comportamiento de fractura sigue siendo dúctil en general. El cambio en el comportamiento de fractura se debe a zonas libres de precipitación en los límites de grano.${\textstyle \theta}$

La fase β tiene una mayor diferencia de potencial en comparación con el cristal mixto, por lo que puede producirse corrosión en capas y corrosión intergranular . Con tiempos de recocido más largos, el interior de los granos también separa las fases β, por lo que la diferencia de potencial es adicionalmente menor. ^[10]${\textstyle \theta}$${\textstyle \theta}$

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

El contenido de cobre suele estar entre el 3 y el 6%. Entre el 0,3% y el 6% las aleaciones se consideran no soldables o muy difíciles de soldar (mediante soldadura por fusión ), con mayores contenidos de cobre se vuelven soldables de nuevo. La mayoría de los tipos también 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, lo que da como resultado una mejor formación de viruta , similar al acero de mecanizado libre . La resistencia al calor se aumenta añadiendo níquel y hierro. ^[11]

El hierro se encuentra como impureza en las aleaciones de ingeniería, impidiendo el endurecimiento por deformación , pero la adición de magnesio hace posible nuevamente el proceso mencionado anteriormente. Cantidades mayores de magnesio de hasta 1,5% aumentan la resistencia y el alargamiento a la rotura (ver Aleación de aluminio-magnesio ). El manganeso también se utiliza para aumentar la resistencia (ver AlMn). Sin embargo, cantidades mayores tienen efectos secundarios negativos, por lo que el contenido se limita a alrededor del 1% de manganeso. Se añaden adiciones más pequeñas de silicio para unir el hierro, ya que prefiere formar la fase AlFeSi, mientras que la formación de Al ₇ Cu ₂ Fe eliminaría cantidades mayores de cobre del material, lo que entonces ya no conduce a la formación de fases que son realmente deseadas (especialmente Al ₂ Cu, aluminuro de cobre ^[12] ). Se alean cantidades mayores de silicio para formar con magnesio Mg ₂ Si ( siliciuro de magnesio ) que, como la aleación de aluminio-magnesio-silicio , mejora la resistencia y la templabilidad. ^[13]

En algunas aleaciones se añade litio con contenidos entre el 1,5% y el 2,5%. Debido a la muy baja densidad del litio (0,53 g/cm³ en comparación con los 2,7 g/cm³ del aluminio), se obtienen componentes más ligeros, lo que resulta especialmente ventajoso en la aviación. Para más detalles, véase la aleación de aluminio y litio .

Las aleaciones de fundición contienen alrededor de un 4% de cobre y pequeñas cantidades de otros aditivos que mejoran la capacidad de fundición, incluidos el titanio y el magnesio. El material de partida es aluminio primario; a diferencia de otras aleaciones de aluminio fundido, no se utiliza aluminio secundario (fabricado a partir de chatarra) porque reduce la elongación y la tenacidad a la rotura. Las aleaciones de fundición de AlCu son propensas al agrietamiento en caliente y se utilizan en los estados de endurecimiento T4 y T6. ^[14]

La siguiente tabla muestra la composición de algunos grados según DIN EN 1706. Todos los datos se muestran en porcentaje en masa, el resto de los materiales es aluminio. ^[15]

Las aleaciones de AlCuMg representan el grupo más importante de aleaciones de AlCu. En ellas pueden formarse muchas otras fases: ^{[16] [17]}

• Al ₈ Mg ₅ ( -fase, véase AlMg  [de] )${\estilo de visualización \theta}$
• Al ₂ CuMg, la fase S
• Al ₆ Mg ₄ Cu, la fase T

La adición de magnesio acelera el proceso de endurecimiento en frío. Las fases que se forman dependen principalmente de la relación cobre/magnesio. Si la relación es inferior a 1/1, se eliminan los grupos que contienen Cu y Mg. Con una relación superior a 1,5/1, que es el caso de la mayoría de las aleaciones de ingeniería, las fases se forman preferentemente. Este tipo de aleaciones tienen una dureza y una resistencia significativamente mayores.

Condiciones:

• O blando (recocido blando  [de] , también conformado en caliente con los mismos valores límite de resistencia)
• T3: recocido en solución , templado , endurecido por trabajo y envejecido naturalmente
• T4: recocido en solución, templado y envejecido artificialmente
• T6: solución tratada térmicamente, templada y envejecida artificialmente
• T8: recocido en solución, trabajado en frío y envejecido artificialmente

La serie 2000 antes se denominaba duraluminio .

Las aleaciones de aluminio y cobre se utilizan principalmente en la construcción aeronáutica  [de] , donde su baja resistencia a la corrosión desempeña un papel secundario. La resistencia a la corrosión se puede mejorar en gran medida mediante la unión metalúrgica de una capa superficial de aluminio de alta pureza, denominada alclad -duralum. Hasta el día de hoy, los materiales alclad se utilizan comúnmente en la industria aeronáutica. ^{[31] [32]} Las aleaciones se procesan mediante laminación, forjado, extrusión y, en parte, fundición. ^[33] Los usos típicos de las aleaciones de Al-Cu forjadas incluyen: ^[34]

• 2011: Alambres, varillas y barras para productos de torno automático . Aplicaciones donde se requiere buena maquinabilidad y buena resistencia.
• 2014 : Piezas forjadas, placas y extrusiones de alta resistenciapara accesorios de aeronaves, ruedas y componentes estructurales importantes, tanques y estructuras de cohetes espaciales, bastidores de camiones y componentes de suspensión. Aplicaciones que requieren alta resistencia y dureza, incluido el servicio a temperaturas elevadas.
• 2017 o Avional (Francia): alrededor de 1 % de silicio. Buena maquinabilidad. Resistencia aceptable a la corrosión en el aire y propiedades mecánicas. También se denomina AU4G en Francia. Se utilizó para aplicaciones aeronáuticas entre las guerras en Francia e Italia. ^[35] También se utilizó en aplicaciones de carreras de autos a partir de la década de 1960, ^[36] ya que es una aleación tolerante que se podía prensar con un equipo relativamente poco sofisticado.
• 2024 : Estructuras de aeronaves, remaches, herrajes, ruedas de camiones, productos de máquinas de tornillos y otras aplicaciones estructurales.
• 2036: Lámina para paneles de carrocería de automóviles
• 2048: Chapas y láminas en componentes estructurales para aplicaciones aeroespaciales y equipos militares

La literatura científica alemana publicó abiertamente información sobre el duraluminio, su composición y tratamiento térmico, antes del estallido de la Primera Guerra Mundial en 1914. A pesar de esto, el uso de la aleación fuera de Alemania no ocurrió hasta después de que terminaron los combates en 1918. Los informes de uso alemán durante la Primera Guerra Mundial, incluso en revistas técnicas como Flight International , aún podían identificar erróneamente su componente de aleación clave como magnesio en lugar de cobre. ^[37] Los ingenieros en el Reino Unido mostraron poco interés en el duraluminio solo hasta después de la guerra. ^[38]

El primer intento conocido de utilizar duraluminio para la estructura de un avión más pesado que el aire se produjo en 1916, cuando Hugo Junkers introdujo por primera vez su uso en el fuselaje del Junkers J 3 , un "demostrador tecnológico" monomotor que marcó el primer uso del revestimiento corrugado de duraluminio, marca registrada de Junkers. La empresa Junkers completó solo las alas cubiertas y el armazón tubular del fuselaje del J 3 antes de abandonar su desarrollo. El sesquiplano blindado Junkers JI de 1917, ligeramente posterior y designado únicamente por IdFlieg , conocido por la fábrica como Junkers J 4, tenía sus alas y estabilizador horizontal totalmente metálicos fabricados de la misma manera que las alas del J 3, al igual que el diseño experimental y en condiciones de volar del caza monoplaza Junkers J 7 , que dio lugar al caza monoplano de ala baja Junkers DI , introduciendo la tecnología de estructuras de aeronaves totalmente de duraluminio en la aviación militar alemana en 1918.

Su primer uso en fuselajes aerostáticos se produjo en los armazones rígidos de dirigibles , incluyendo finalmente todos los de la era de los "Grandes Dirigibles" de los años 1920 y 1930: el R-100 construido por los británicos, los zepelines de pasajeros alemanes LZ 127 Graf Zeppelin , LZ 129 Hindenburg , LZ 130 Graf Zeppelin II y los dirigibles de la Armada estadounidense USS Los Angeles (ZR-3, ex-LZ 126) , USS Akron (ZRS-4) y USS Macon (ZRS-5) . ^{[39] [40]}

Las series 2000 alguna vez fueron las aleaciones aeroespaciales más comunes, pero debido a que eran susceptibles al agrietamiento por corrosión bajo tensión , cada vez más están siendo reemplazadas por las series 7000 en los nuevos diseños.

El duraluminio se utilizó para fabricar componentes y cuadros de bicicletas desde la década de 1930 hasta la de 1990. Varias empresas de Saint-Étienne, Francia, se destacaron por su adopción temprana e innovadora del duraluminio: en 1932, Verot et Perrin desarrolló los primeros brazos de cigüeñal de aleación ligera; en 1934, Haubtmann lanzó un juego de bielas completo; a partir de 1935, varias empresas fabricaron ruedas libres, descarriladores , pedales, frenos y manillares de duraluminio.

Los cuadros completos siguieron rápidamente, incluidos los fabricados por: Mercier (y Aviac y otros licenciatarios) con su popular familia de modelos Meca Dural, los hermanos Pelissier y sus modelos La Perle aptos para carreras, y Nicolas Barra y sus exquisitas creaciones “Barralumin” de mediados del siglo XX. Otros nombres que también aparecen aquí incluyen: Pierre Caminade, con sus hermosas creaciones Caminargent y sus exóticos tubos octogonales, y también Gnome et Rhône , con su profunda herencia como fabricante de motores de aviación que también se diversificó en motocicletas, velomotores y bicicletas después de la Segunda Guerra Mundial.

Mitsubishi Heavy Industries , a la que se le prohibió producir aviones durante la ocupación estadounidense de Japón, fabricó la bicicleta "cross" a partir de duraluminio sobrante de la guerra en 1946. La "cross" fue diseñada por Kiro Honjo , un ex diseñador de aviones responsable del Mitsubishi G4M . ^[41]

El uso del duraluminio en la fabricación de bicicletas se fue reduciendo en los años 1970 y 1980. No obstante, Vitus (empresa de bicicletas) lanzó el venerable cuadro “979” en 1979, un modelo “Duralinox” que se convirtió instantáneamente en un clásico entre los ciclistas. El Vitus 979 fue el primer cuadro de aluminio de producción cuyos tubos de pared delgada 5083/5086 se ajustaban por deslizamiento y luego se pegaban entre sí utilizando una resina epoxi activada por calor seco. El resultado fue un cuadro extremadamente ligero pero muy duradero. La producción del Vitus 979 continuó hasta 1992. ^[42]

• Grushko, Olga; Ovsyannikov, Boris; Ovchinnokov, Viktor (2016). Eskin, DG (ed.). Aleaciones de aluminio y litio: metalurgia de procesos, metalurgia física y soldadura. Avances en aleaciones metálicas. Vol. 8. CRC Press/Taylor & Francis Group. doi :10.1201/9781315369525. ISBN 9781498737173.OCLC 943678703  .

• David Laughlin, Kazuhiro Hono. Manual de aluminio: vol. 1: Metalurgia física y procesos . ISBN 9780444537713 
• Aluminio en rústica - Volumen 1. 16.ª edición, Aluminium Verlag, Düsseldorf 2002, pp. 101 y siguientes, 114-116, 121, 139-141
• Friedrich Ostermann: Tecnología de aplicación del aluminio. 3.ª edición, Springer, 2014, ISBN 978-3-662-43806-0 , págs. 117-124