¿Cuáles son las características, principales elementos de aleación y funciones de las aleaciones de aluminio de la serie 2xxx?
(1) Características de las aleaciones de aluminio de la serie 2xxx
Las aleaciones de aluminio de la serie 2xxX son aleaciones de aluminio cuyo principal elemento de aleación es el cobre. Entre ellas se encuentran las aleaciones de Al-Cu-Mg, las aleaciones de Al-Cu-Mg-Fe-Ni y las aleaciones de Al-Cu-Mn. Estas aleaciones son aleaciones de aluminio tratadas térmicamente.
Las aleaciones de aluminio de la serie 2xXX se caracterizan por su alta resistencia y suelen denominarse aleaciones de aluminio duro. Tienen buena resistencia al calor y propiedades de procesamiento, pero su resistencia a la corrosión no es tan buena como la mayoría de las demás aleaciones de aluminio. En determinadas condiciones, se producirá corrosión intergranular. Por lo tanto, a menudo es necesario recubrir la placa con una capa de aluminio puro o una capa de aleación de aluminio de la serie 6xXx que tenga protección electroquímica para la placa central para mejorar en gran medida su resistencia a la corrosión. Entre ellas, la aleación Al-Cu-Mg-Fe-Ni tiene una composición química y una composición de fase extremadamente complejas. Tiene una alta resistencia a alta temperatura y un buen rendimiento del proceso. Se utiliza principalmente para piezas resistentes al calor que funcionan por debajo de los 150 ~ 250 grados; aunque la resistencia a temperatura ambiente de la aleación AI-Cu-Mn es menor que la de la aleación Al-Cu-Mg 2A12 y 2A14, su resistencia es mayor que ambas a 225 ~ 250 grados o más. Además, la aleación tiene un buen rendimiento del proceso y es fácil de soldar. Se utiliza principalmente en piezas estructurales y forjados soldables resistentes al calor. Esta serie de aleaciones se utiliza ampliamente en los campos de la aviación y la industria aeroespacial.
(2) Principales elementos de aleación y sus funciones
①Los principales grados de aleación de AI-Cu-Mg son 2A01, 2A02, 2A06, 2A10, 2A11, 2A12, etc. Los principales elementos añadidos son Cu, Mg y Mn.
Sus efectos sobre las aleaciones son los siguientes.
a. Efecto del contenido de Cu y Mg en las propiedades mecánicas de las aleaciones. Cuando el contenido de Mg es de 1%~2%, cuando el contenido de Cu aumenta de 1.0% a 4%, la resistencia a la tracción de la aleación en el estado templado aumenta de 200MPa a 380MPa; la resistencia a la tracción de la aleación en el estado de envejecimiento natural templado aumenta de 300MPa a 480MPa. Cuando el contenido de Cu está en el rango de 1%~4%, cuando el contenido de Mg aumenta de 0.5% a 2.0%, la resistencia a la tracción de la aleación aumenta; cuando el contenido de Mg continúa aumentando, la resistencia de la aleación disminuye.
La resistencia a la tracción de la aleación que contiene 4,1% de Cu y 2,3% de Mg es la más alta; la aleación que contiene 3%~4% de Cu y 6,5%~1,3% de Mg tiene el mayor efecto de temple y envejecimiento natural. La prueba muestra que la resistencia a la tracción de la aleación ternaria AI-Cu-Mg que contiene 4%~6% de Cu y 1%~2% de Mg puede alcanzar 490~510 MPa en el estado de temple y envejecimiento natural.
b. La influencia del contenido de Cu y Mg en la resistencia al calor de la aleación. A partir de los valores de la prueba de resistencia a la resistencia de la aleación AI-Cu-Mg que contiene 0.6%Mn a 200 grados y 160MPa de tensión, se puede ver que la aleación que contiene Cu 3.5%~6% y Mg1.2%~2.0% tiene la resistencia a la resistencia más alta. En este momento, la aleación se encuentra en o cerca de la sección pseudobinaria AI-S (AlCuMg). La aleación alejada de la sección pseudobinaria, es decir, cuando el contenido de Mg es inferior al 1.2% y la resistencia máxima es superior al 2.0%, su resistencia a la resistencia disminuye. Si el contenido de Mg aumenta al 3.0% o más, la resistencia a la resistencia de la aleación disminuirá rápidamente.
Se obtuvieron reglas similares en la prueba a 250 grados y 100 MPa de tensión. La literatura señala que la aleación con la mayor resistencia a la fatiga a 300 grados se encuentra en la región de la fase +S a la derecha de la sección binaria AI-S con un mayor contenido de Mg.
c. Efecto del contenido de Cu y Mg en la resistencia a la corrosión de las aleaciones. Las aleaciones binarias Al-Cu con un contenido de Cu de 3%~5% tienen una resistencia a la corrosión muy baja en el estado de temple y envejecimiento natural. La adición de 0.5%Mg puede reducir el potencial de una solución sólida y mejorar parcialmente la resistencia a la corrosión de la aleación. Cuando el contenido de Mg es mayor que 1.0%, la corrosión local de la aleación aumenta y el alargamiento después de la corrosión disminuye drásticamente. Para aleaciones con un contenido de Cu mayor que 4.0% y un contenido de Mg mayor que 1.0%, Mg reduce la solubilidad de Cu en Al. En el estado templado, la aleación tiene fases CuAl₂ y S insolubles, y la presencia de estas fases acelera la corrosión. Las aleaciones con un contenido de Cu de 3%~5% y un contenido de Mg de 1%~4% se encuentran en la misma región de fase, y su resistencia a la corrosión es similar en el estado de temple y envejecimiento natural. Las aleaciones de la región de la fase aS tienen una resistencia a la corrosión más pobre que las de la región a-CuAl₂-S. La corrosión intergranular es la principal tendencia a la corrosión de las aleaciones Al-Cu-Mg.
Mn: El Mn se añade a la aleación Al-Cu-Mg principalmente para eliminar los efectos nocivos del Fe y mejorar la resistencia a la corrosión. El Mn puede aumentar ligeramente la resistencia a temperatura ambiente de la aleación, pero reducir la plasticidad. El Mn también puede retrasar y debilitar el proceso de envejecimiento artificial de la aleación Al-Cu-Mg y mejorar la resistencia al calor de la aleación. El Mn también es uno de los principales factores que hacen que la aleación Al-Cu-Mg tenga efecto de extrusión. La adición de Mn es generalmente inferior al 1,6%. Si el contenido es demasiado alto, se pueden formar compuestos frágiles gruesos (FeMn)Al6, lo que reduce la plasticidad de la aleación.
d. La pequeña cantidad de oligoelementos agregados a las aleaciones de Al-Cu-Mg incluyen Ti y Zr, y las impurezas son principalmente Fe, Si y Zn, etc., y sus efectos son los siguientes.
Ti: Agregar Ti a la aleación puede refinar los granos de fundición y reducir la tendencia a formar grietas durante la fundición.
Zr: Una pequeña cantidad de Zr tiene un efecto similar al Ti, refinando los granos de fundición, reduciendo la tendencia a agrietarse en la fundición y la soldadura, y mejorando la plasticidad de los lingotes y las uniones soldadas. La adición de Zr no afecta la resistencia de los productos deformados en frío que contienen aleaciones de Mn.
Mejora ligeramente la resistencia de las aleaciones sin Mn. Si: Para aleaciones de Al-Cu-Mg con un contenido de Mg inferior al 1,4 %, un contenido de Si superior al 5,5 % puede mejorar la velocidad y la resistencia del envejecimiento artificial sin afectar la capacidad de envejecimiento natural. Debido a que el Si y el Mg forman la fase Mg2Si, es beneficioso para el efecto de envejecimiento artificial. Sin embargo, cuando el contenido de Mg aumenta al 1,5 %, después de templar el envejecimiento natural o el tratamiento de envejecimiento artificial, la resistencia y la resistencia al calor de la aleación disminuyen con el aumento del contenido de Si. Por lo tanto, el contenido de Si debe reducirse tanto como sea posible. Además, el aumento del contenido de Si aumentará la tendencia de aleaciones como 2A12 y 2A146 a formar grietas durante la fundición y reducirá la plasticidad durante el remachado. Por lo tanto, el contenido de Si en la aleación generalmente se limita a menos del 0,5 %. Para aleaciones que requieren alta plasticidad, el contenido de Si debe ser menor.
Fe: El Fe y el Al forman compuestos FeAl3 y se disuelven en compuestos formados por elementos como Cu, Mn y Si. Estos compuestos gruesos que no se disuelven en la solución sólida reducen la plasticidad de la aleación, y la aleación es propensa a agrietarse durante la deformación. Y el efecto de fortalecimiento se reduce significativamente. Una pequeña cantidad de Fe (menos del 0.25%) tiene poco efecto sobre las propiedades mecánicas de la aleación, mejora la tendencia a la formación de grietas durante la fundición y la soldadura, pero reduce la tasa de envejecimiento natural. Para obtener materiales altamente plásticos, los contenidos de Fe y Si en la aleación deben ser lo más bajos posible.
Zn: Una pequeña cantidad de Zn ({{0}}.1%~0.5%) tiene poco efecto en las propiedades mecánicas a temperatura ambiente de las aleaciones de Al-Cu-Mg, pero reduce la resistencia térmica de la aleación. El contenido de Zn en la aleación debe limitarse a menos del 0.3%.
② Aleación Al-Cu-Mg-Fe-Ni Los principales grados de aleación de esta serie de aleaciones son 2A70, 2A80, 2A90, etc.El papel de cada elemento de aleación es el siguiente.
Cu y Mg: La influencia del contenido de Cu y Mg en la resistencia a temperatura ambiente y la resistencia al calor de las aleaciones anteriores es similar a la de la aleación AI-Cu-Mg. Dado que el contenido de Cu y Mg en esta serie de aleaciones es menor que el de la aleación AI-Cu-Mg, la aleación se encuentra en la región bifásica a+ S (AlCuMg), por lo que la aleación tiene una mayor resistencia a temperatura ambiente y una buena resistencia al calor; además, cuando el contenido de Cu es bajo, la solución sólida de baja concentración tiene una pequeña tendencia a descomponerse, lo que es beneficioso para la resistencia al calor de la aleación.
Ni: El Ni y el Cu en la aleación pueden formar un compuesto ternario insoluble. Cuando el contenido de Ni es bajo, se forma (AICuNi), y cuando el contenido de Ni es alto, se forma Al3(CuNi)2. Por lo tanto, la presencia de Ni puede reducir la concentración de Cu en la solución sólida. Los resultados de la medición de la constante de red en el estado templado también prueban el agotamiento de los átomos de soluto de Cu en la solución sólida de la aleación. Cuando el contenido de Fe es muy bajo, el aumento del contenido de Ni puede reducir la dureza de la aleación y reducir el efecto de fortalecimiento de la aleación.
Fe: Al igual que el Ni, el Fe también puede reducir la concentración de Cu en la solución sólida. Cuando el contenido de níquel es muy bajo, la dureza de la aleación disminuye significativamente al principio con el aumento del contenido de Fe, pero cuando el contenido de Fe alcanza un cierto valor, comienza a aumentar nuevamente.
Ni y Fe: Cuando se agregan Fe y Ni a la aleación AICu2.2Mg1.65 al mismo tiempo, las características de cambio de dureza bajo el temple por envejecimiento natural, el temple por envejecimiento artificial, el temple y el recocido son similares, y aparece un valor máximo en la posición donde los contenidos de Ni y Fe son similares, y la constante reticular en el estado de temple aparece como un valor mínimo en este punto.
Cuando el contenido de Fe en la aleación es mayor que el contenido de Ni, aparecerá la fase Al7Cu2Fe. Por el contrario, cuando el contenido de Ni en la aleación es mayor que el contenido de Fe, aparecerá la fase AlCuNi. La aparición de la fase ternaria que contiene Cu antes mencionada reduce el contenido de Cu en la solución sólida. Solo cuando los contenidos de Fe y Ni son iguales, se generan todas las fases AlgFeNi. En este caso, dado que no hay exceso de Fe o Ni para formar una fase insoluble que contenga Cu, el Cu en la aleación no solo forma la fase S (Al2CuMg), sino que también aumenta la concentración de Cu en la solución sólida, lo que es beneficioso para mejorar la resistencia de la aleación y su resistencia al calor.
El contenido de Fe y Ni puede afectar la resistencia al calor de la aleación. La fase AlgFeNi es un compuesto duro y quebradizo con muy poca solubilidad en Al. Después del forjado y el tratamiento térmico, cuando se dispersan y distribuyen en la estructura, pueden mejorar significativamente la resistencia al calor de la aleación. Por ejemplo, la aleación AICu2.2Mg1.65 contiene 1.0% de Ni y la aleación con 0.7%~0.9% de Fe tiene el valor de resistencia duradera más alto.
Si: Agregar entre un 0,5 % y un 1,2 % de Si a la aleación 2A80 mejora la resistencia a temperatura ambiente de la aleación, pero reduce la resistencia al calor de la aleación.
La adición de {{0}}.02%~0.1% Ti a la aleación Ti:2A70 refina los granos recién fundidos y mejora el rendimiento del proceso de forjado, lo que es beneficioso para la resistencia al calor, pero tiene poco efecto en el rendimiento a temperatura ambiente.
③ Aleación de Al-Cu-Mn. Los principales grados de aleación de esta serie de aleaciones son 2A16, 2A17, etc.
Las funciones de los principales elementos de aleación son las siguientes.
Cu: A temperatura ambiente y a alta temperatura, a medida que aumenta el contenido de Cu, aumenta la resistencia de la aleación. Cuando el contenido de Cu alcanza el 5,1 %, la resistencia de la aleación está cerca del valor máximo. Además, el Cu puede mejorar el rendimiento de soldadura de la aleación.
Mn: Mn es el elemento principal para mejorar la resistencia al calor de la aleación. Aumenta la energía de activación de los átomos en la solución sólida, reduce el coeficiente de difusión de los átomos de soluto y la velocidad de descomposición de la solución sólida. Cuando la solución sólida se descompone, el proceso de formación y crecimiento de la fase precipitada T (Al2oCu2Mn3) también es muy lento, por lo que la aleación también es muy estable cuando se calienta durante mucho tiempo a una cierta temperatura alta. Agregar Mn apropiado (0.6%~0.8%) puede mejorar la resistencia a temperatura ambiente y la resistencia a la resistencia de la aleación en el estado de temple y envejecimiento natural. Sin embargo, si el contenido de Mn es demasiado alto, la fase T aumenta, la interfaz aumenta, el efecto de difusión se acelera y la resistencia al calor de la aleación se reduce. Además, Mn también puede reducir la tendencia al agrietamiento durante la soldadura de aleación.
Los oligoelementos añadidos a la aleación Al-Cu-Mn son Mg, Ti y Zr, mientras que los principales elementos de impureza son Fe, Si, Zn, etc., y sus efectos son los siguientes.
Mg: Cuando el contenido de Cu y Mn en la aleación 2A16 permanece sin cambios, se agrega un 0.25%~0.45% de Mg para formar la aleación 2A17. El Mg puede mejorar la resistencia a temperatura ambiente de la aleación y mejorar la resistencia al calor por debajo de 150~225 grados. Sin embargo, cuando la temperatura aumenta aún más, la resistencia de la aleación disminuye significativamente. Sin embargo, la adición de Mg puede deteriorar el rendimiento de soldadura de la aleación, por lo que en la aleación 2A16 utilizada para soldabilidad resistente al calor, el contenido de impureza Mg no debe exceder el 0.05%. Ti: El Ti puede refinar los granos fundidos, aumentar la temperatura de recristalización de la aleación, reducir la tendencia a la descomposición de la solución sólida sobresaturada y estabilizar la estructura de la aleación a alta temperatura. Sin embargo, cuando el contenido de Ti es mayor que {{20}}.3%, se generan compuestos de TiAls en forma de aguja gruesa, lo que reduce la resistencia al calor de la aleación. El contenido de Ti de la aleación se especifica en 0.1%~0.2%. Zr: Cuando se agrega 0.1%~0.25% de Zr a la aleación 2219, los granos se pueden refinar y la temperatura de recristalización y la estabilidad de la solución sólida de la aleación se pueden aumentar, mejorando así la resistencia al calor de la aleación y mejorando la soldabilidad de la aleación y la plasticidad de la soldadura. Sin embargo, cuando el contenido de Zr es alto, se pueden generar compuestos más frágiles ZrAl3.
Fe: Cuando el contenido de Fe en la aleación supera el 4,45 %, se forma una fase insoluble AlCu2Fe, que puede reducir las propiedades mecánicas de la aleación en estado de temple y envejecimiento y la resistencia a la fatiga a 300 grados. Por lo tanto, el contenido de Fe debe limitarse a menos del 0,3 %.
Si: Una pequeña cantidad de Si ({{0}}.4%) no tiene un efecto obvio en las propiedades mecánicas a temperatura ambiente, pero reduce la resistencia a la fatiga a 300 grados. Cuando el contenido de Si supera el 0,4%, las propiedades mecánicas a temperatura ambiente de la aleación se reducirán. Por lo tanto, el contenido de Si se limita a menos del 0,3%.
Zn: Una pequeña cantidad de Zn ({{0}}.3%) no tiene efecto sobre las propiedades a temperatura ambiente de la aleación, pero puede acelerar la velocidad de difusión de Cu en Al y reducir la resistencia a la resistencia de la aleación a 300 grados, por lo que está limitado a menos del 0,1%.
¿Cuáles son los tipos y usos de las aleaciones de aluminio de la serie 2xxx?
Aleación 2011
Tipos: tubos trefilados, barras trabajadas en frío, alambres trabajados en frío
Aplicaciones: tornillos y productos mecanizados que requieren un buen rendimiento de corte.
Aleación 2014
Tipos: placas, placas gruesas, tubos trefilados, tubos extruidos, barras, perfiles, alambres, barras trabajadas en frío, alambres trabajados en frío, piezas forjadas
Aplicaciones: se utiliza en aplicaciones que requieren alta resistencia y dureza (incluidas altas temperaturas). Las piezas forjadas pesadas, las placas gruesas y los materiales extruidos se utilizan para piezas estructurales de aeronaves, tanques de combustible de primera etapa de cohetes multietapa y piezas de naves espaciales, ruedas, bastidores de camiones y piezas de sistemas de suspensión.
Aleación 2017
Tipos: placas, perfiles extruidos, barras trabajadas en frío, alambres trabajados en frío, alambres remachados, piezas forjadas
Aplicaciones: Es la primera aleación de la serie 2XXX que se aplica industrialmente. Su rango de aplicación actual es relativamente estrecho, principalmente remaches, piezas de maquinaria general, aeronaves, barcos, transporte, piezas estructurales de construcción, piezas estructurales de vehículos de transporte, hélices y accesorios.
Aleación 2024
Variedades: Placas, placas gruesas, tubos trefilados, tubos extruidos, perfiles, barras, alambres, barras trabajadas en frío, alambres trabajados en frío, alambres remachados.
Aplicaciones: Estructuras de aeronaves (revestimientos, marcos, costillas, mamparos, etc.), remaches, componentes de misiles, ruedas de camiones, componentes de hélices y otras diversas piezas estructurales.
Aleación 2036
Variedades: Chapas para carrocería de automóviles
Aplicaciones: Piezas de chapa para carrocería de automóviles.
Aleación 2048
Variedades: Platos
Aplicaciones: Piezas estructurales aeroespaciales y piezas estructurales de armas.
Aleación 2117
Variedades: Barras y alambres trabajados en frío, alambres remachados
Aplicaciones: Se utilizan como remaches para piezas estructurales con temperaturas de trabajo que no superan los 100 grados.
Aleación 2124
Variedades: Platos gruesos
Aplicaciones: Piezas estructurales aeroespaciales
Aleación 2218
Variedades: Forjados, láminas
Aplicaciones: Pistones de motores de aeronaves y motores diésel, culatas de cilindros de motores de aeronaves, impulsores de motores a reacción y anillos de compresores.
Aleación 2219
Variedades: Placas, placas gruesas, láminas, tubos extruidos, perfiles, barras, alambres, barras trabajadas en frío, piezas forjadas.
Aplicaciones: Tanques de combustible y oxidantes para soldadura de cohetes espaciales, revestimientos y piezas estructurales de aeronaves supersónicas, temperatura de funcionamiento de -270 a 300 grados. Buena soldabilidad, alta tenacidad a la fractura, alta resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión en estado T8.
Aleación 2319
Variedad: Alambre
Aplicación: Varillas de soldadura y soldadura de relleno para soldar aleación 2219
Aleación 2618
Variedad: Chapas gruesas, barras extruidas, piezas forjadas y piezas forjadas.
Aplicación: Cilindros de motores y otras piezas, así como piezas resistentes al calor que requieren trabajar a 150~250 grados. Las placas gruesas se utilizan como revestimientos de aeronaves, barras, piezas forjadas en matriz y piezas forjadas libres se utilizan para hacer pistones, piezas de aviación.
Aleación 2A01
Variedad: Barras y alambres trabajados en frío, alambres remachados
Aplicación: Se utilizan como remaches para piezas estructurales con temperaturas de trabajo que no superan los 100 grados.
Aleación 2A02
Variedad: Barras, forjados
Aplicación: Álabes de compresores axiales, impulsores y discos de motores turborreactores con temperaturas de trabajo de 200~300 grados.
Aleación 2A04
Variedad: Alambres remachados
Aplicación: Se utiliza para fabricar remaches para piezas estructurales con una temperatura de trabajo de 120 a 250 grados.
Aleación 2A06
Variedad: Placa, perfil extruido, alambre remachado.
Aplicación: Piezas estructurales de aeronaves con una temperatura de trabajo de 150 a 250 grados y remaches estructurales de aeronaves con una temperatura de trabajo de 125 a 250 grados.
Aleación 2A10
Variedad: Alambre remachado
Aplicación: Mayor resistencia que la aleación 2A01, utilizada para fabricar remaches estructurales de aeronaves con temperatura de trabajo menor o igual a 100 grados.
Aleación 2A50
Variedad: Forjados, barras, placas.
Aplicación: Piezas de resistencia media con formas complejas.
Aleación 2B50
Variedad: Forjados
Aplicación: Rueda de compresor de motor de aeronave, rueda guía, ventilador, impulsor, etc.
Aleación 2A90
Variedad: Barras extruidas, forjados y piezas forjadas.
Aplicación: Piezas de motores de aeronaves y otras piezas con alta temperatura de trabajo, las piezas forjadas de aleación se reemplazan gradualmente por 2A70