(1) Características de las aleaciones de aluminio de la serie 7xxx
Las aleaciones de aluminio de la serie 7XXx son aleaciones de aluminio con Zn como elemento de aleación principal y son aleaciones de aluminio tratables térmicamente. Cuando se agrega Mg a la aleación, se convierte en aleación Al-Zn-Mg. La aleación tiene buenas propiedades de deformación térmica y un amplio rango de temple. En condiciones de tratamiento térmico adecuadas, puede obtener alta resistencia y buenas propiedades de soldadura. Generalmente tiene buena resistencia a la corrosión y cierta tendencia a la corrosión por tensión. Es una aleación de aluminio soldable de alta resistencia. La aleación Al-Zn-Mg-Cu se desarrolla sobre la base de la aleación Al-Zn-Mg agregando Cu. Su resistencia es mayor que la de las aleaciones de aluminio de la serie 2X. Generalmente se denomina aleación de aluminio de ultra alta resistencia. El límite elástico de la aleación está cerca de la resistencia a la tracción, la relación de límite elástico es alta y la resistencia específica también es alta, pero la plasticidad y la resistencia a alta temperatura son bajas. Es adecuado para piezas estructurales portantes utilizadas a temperatura ambiente y por debajo de 120 grados. La aleación es fácil de procesar y tiene buena resistencia a la corrosión y alta tenacidad. Esta serie de aleaciones se utiliza ampliamente en los campos de la aviación y la industria aeroespacial, y se ha convertido en uno de los materiales estructurales más importantes en este campo.
(2) Elementos de aleación y elementos de impureza y sus funciones.
① Aleación Al-Zn-Mg Zn y Mg son los principales elementos de aleación en la aleación Al-Zn-Mg, y su contenido generalmente no supera el 7,5%.
Zn y Mg: A medida que aumenta el contenido de Zn y Mg en la aleación, su resistencia a la tracción y el efecto del tratamiento térmico generalmente aumentan en consecuencia. La tendencia a la corrosión bajo tensión de la aleación está relacionada con la suma del contenido de Zn y Mg. Para aleaciones con alto contenido de Mg y bajo de Zn o alto de Zn y bajo de Mg, siempre que la suma del contenido de Zn y Mg no sea más del 7%, la aleación tiene buena resistencia a la corrosión bajo tensión. La tendencia a la formación de grietas por soldadura de la aleación disminuye con el aumento del contenido de Mg.
Las trazas de elementos añadidos en las aleaciones de Al-Zn-Mg incluyen Mn, Cr, Cu, Zr y Ti, y las principales impurezas incluyen Fe y Si.
Mn y Cr: La adición de Mn y Cr puede mejorar la resistencia a la corrosión bajo tensión de la aleación. El contenido de Mn es del 0,2%~
Con un 2,4 %, el efecto es significativo. El efecto de añadir Cr es mayor que el de añadir Mn. Si se añaden Mn y Cr al mismo tiempo, el efecto de reducción de la tendencia a la corrosión bajo tensión será mejor. La cantidad adecuada de Cr añadido es del 4,1 % al 0,2 %.
Zr: El Zr puede mejorar significativamente la soldabilidad de las aleaciones A{{0}}Zn-Mg. Cuando se agrega un 0.2% de Zr a la aleación AlZn5Mg3Cu0.35Cr0.35, las grietas de soldadura se reducen significativamente. El Zr también puede aumentar la temperatura de recristalización final de la aleación. En la aleación AlZn4.5Mg1.8Mn0.6, cuando el contenido de Zr es superior al 0.2%, la temperatura de recristalización final de la aleación es superior a 500 grados. Por lo tanto, el material aún conserva su resistencia después del temple. Tejido deformado. Agregar entre un 0,1% y un 0,2% de Zr a las aleaciones Al-Zn-Mg que contienen Mn también puede mejorar la resistencia a la corrosión por tensión de la aleación, pero el Zr tiene un efecto menor que el Cr.
Ti: La adición de Ti a la aleación puede refinar el tamaño de grano de la aleación en el estado fundido y mejorar la soldabilidad de la aleación, pero su efecto es menor que el del Zr. Si se añaden Ti y Zr al mismo tiempo, el efecto es mejor. En la aleación AlZn5Mg3Cr0.3Cu0.3 con un contenido de Ti de 0.12%, cuando el contenido de Zr supera el 0.15%, la aleación tiene buena soldabilidad y elongación, y puede lograr el mismo efecto que cuando se añade más del 0.2% de Zr solo. El Ti también puede aumentar la temperatura de recristalización de la aleación.
Cu: La adición de una pequeña cantidad de Cu a las aleaciones de Al-Zn-Mg puede mejorar la resistencia a la corrosión bajo tensión y la resistencia a la tracción. Sin embargo, la soldabilidad de la aleación se reduce.
Fe: El Fe puede reducir la resistencia a la corrosión y las propiedades mecánicas de la aleación, especialmente en el caso de aleaciones con un alto contenido de Mn. Por lo tanto, el contenido de Fe debe ser lo más bajo posible y su contenido debe limitarse a menos del 0,3 %.
Si: el Si puede reducir la resistencia de la aleación, reducir ligeramente el rendimiento de flexión y aumentar la tendencia a las grietas de soldadura. El contenido de Si en la aleación debe limitarse a menos del 0,3 %.
② Aleación de Al-Zn-Mg-Cu La aleación de Al-Zn-Mg-Cu es una aleación tratable térmicamente. Los principales elementos de refuerzo son Zn y Mg. El Cu también tiene un cierto efecto de refuerzo, pero su función principal es mejorar la resistencia a la corrosión del material.
Zn y Mg: Zn y Mg son los principales elementos de fortalecimiento. Cuando coexisten, formarán fases η (MgZn2) y T (Al2Mg2Zn3). La fase η y la fase T tienen una gran solubilidad en AI y cambian drásticamente con el aumento y la caída de la temperatura. La solubilidad de MgZn₂ a la temperatura eutéctica es del 28%, que se reduce al 4%~5% a temperatura ambiente. Tiene un fuerte efecto de fortalecimiento por envejecimiento. El aumento del contenido de Zn y Mg puede mejorar en gran medida la resistencia y la dureza, pero reducirá la plasticidad, la resistencia a la corrosión bajo tensión y la tenacidad a la fractura.
Cu: Cuando Zn/Mg es mayor que 2,2 y el contenido de Cu es mayor que Mg, el Cu y otros elementos pueden producir una fase S reforzada (CuMgAlz) para aumentar la resistencia de la aleación, pero en el caso opuesto, la posibilidad de existencia de la fase S es muy pequeña. El Cu puede reducir la diferencia de potencial entre el límite de grano y el intragranular, y también puede cambiar la estructura de la fase precipitada y refinar la fase precipitada del límite de grano, pero tiene poco efecto en el ancho de la zona de no precipitación del límite de grano. Puede inhibir la tendencia al agrietamiento intergranular, mejorando así la resistencia a la corrosión por tensión de la aleación. Sin embargo, cuando el contenido de Cu es mayor que 3%, la resistencia a la corrosión de la aleación se deteriora. El Cu puede aumentar la sobresaturación de la aleación, acelerar el proceso de envejecimiento artificial de la aleación entre 100 y 200 grados C, expandir el rango de temperatura estable de la zona GP y mejorar la resistencia a la tracción, la plasticidad y la resistencia a la fatiga. En el rango donde el contenido de Cu no es demasiado alto, la resistencia a la fatiga por deformación cíclica y la tenacidad a la fractura aumentan con el aumento del contenido de Cu, y la tasa de crecimiento de grietas se reduce en el medio corrosivo, pero la adición de Cu tiene una tendencia a producir corrosión intergranular y corrosión por picaduras. El efecto del Cu en la tenacidad a la fractura está relacionado con la relación Zn/Mg. Cuando la relación es pequeña, cuanto mayor es el contenido de Cu, peor es la tenacidad; cuando la relación es grande, incluso si el contenido de Cu es alto, la tenacidad sigue siendo muy buena.
También hay una pequeña cantidad de oligoelementos como Mn, Cr, Zr, V, Ti y B en la aleación. Fe y Si son impurezas dañinas en la aleación y sus interacciones son las siguientes.
Mn, Cr: La adición de una pequeña cantidad de elementos de transición como Mn y Cr tiene un efecto significativo en la estructura y las propiedades de la aleación. Estos elementos pueden producir partículas dispersas durante el recocido de homogeneización del lingote, evitar la migración de dislocaciones y límites de grano, aumentando así la temperatura de recristalización, evitando eficazmente el crecimiento de granos, refinando los granos y asegurando que la estructura permanezca sin recristalizar o parcialmente recristalizada después del trabajo en caliente y el tratamiento térmico, de modo que se mejore la resistencia y se tenga una mejor resistencia a la corrosión bajo tensión. En términos de mejorar la resistencia a la corrosión bajo tensión, agregar Cr es mejor que agregar Mn.
Zr: Recientemente, ha habido una tendencia a reemplazar Cr y Mn por Zr. El Zr puede aumentar en gran medida la temperatura de recristalización de la aleación. Ya sea que se trate de deformación en caliente o de deformación en frío, se puede obtener una estructura no recristalizada después del tratamiento térmico. El Zr también puede mejorar la templabilidad, soldabilidad, tenacidad a la fractura, resistencia a la corrosión bajo tensión, etc. de la aleación. El Zr es un elemento aditivo traza muy prometedor en las aleaciones de Al-Zn-Mg-Cu.
Ti y B: Ti y B pueden refinar los granos de la aleación en el estado fundido y aumentar la temperatura de recristalización de la aleación.
Fe y Si: Fe y Si son impurezas dañinas inevitables en las aleaciones de aluminio 7XxX, que provienen principalmente de materias primas, así como de herramientas y equipos utilizados en fundición y fundición. Estas impurezas existen principalmente en forma de FeAl: duro y quebradizo y Si libre. Estas impurezas también pueden formar compuestos gruesos como (FeMn)Als, (FeMn)Si2Als, Al(FeMnCr) con Mn y Cr. FeAl3 tiene el efecto de refinar los granos, pero tiene un mayor impacto en la resistencia a la corrosión. A medida que aumenta el contenido de fase insoluble, también aumenta la fracción de volumen de la fase insoluble. Estas segundas fases insolubles se romperán y se alargarán durante la deformación, lo que dará como resultado una estructura en bandas, y las partículas se organizarán en línea recta a lo largo de la dirección de deformación. Dado que las partículas de impurezas se distribuyen dentro de los granos o en los límites de grano, durante la deformación plástica, se producen poros en algunos límites partícula-matriz, lo que da como resultado microfisuras, que se convierten en el origen de las macrofisuras. Además, tiene una gran influencia en la tasa de crecimiento de las grietas por fatiga. Tiene un cierto efecto de reducción de la plasticidad local durante la destrucción. El aumento en el número de impurezas acorta la distancia entre partículas, reduciendo así la fluidez de la deformación plástica alrededor de la punta de la grieta. Debido a que la fase que contiene Fe y Si es difícil de disolver a temperatura ambiente, desempeña un papel de entalla y se convierte fácilmente en una fuente de grietas, provocando la rotura del material, lo que tiene un efecto muy adverso en el alargamiento, especialmente en la tenacidad a la fractura de la aleación. Por lo tanto, al diseñar y producir nuevas aleaciones, el contenido de Fe y Si está estrictamente controlado. Además de utilizar materias primas metálicas de alta pureza, también se toman algunas medidas durante el proceso de fusión y fundición para evitar que estos dos elementos se mezclen en la aleación.