Aluminio 2004: Composición, Propiedades, Guía de Temple y Aplicaciones

Descripción General

El Alloy 2004 es un miembro de la serie 2xxx de aleaciones de aluminio, que contienen cobre y son aleaciones endurecibles por tratamiento térmico, formuladas principalmente para obtener alta resistencia combinada con una tenacidad razonable. La serie 2xxx generalmente sacrifica cierta resistencia natural a la corrosión a favor de mayores propiedades mecánicas; el 2004 sigue esta tendencia como una aleación Al–Cu de resistencia media a alta, posicionada entre las series 2xx y 7xx más antiguas en cuanto a capacidad.

Los principales elementos de aleación en el 2004 son el cobre como el principal agente de fortalecimiento, con adiciones controladas de magnesio y manganeso para ayudar en el endurecimiento por precipitación y el control de la estructura del grano, y elementos en trazas como cromo y titanio para el control de la recristalización. El mecanismo de fortalecimiento es principalmente el endurecimiento por precipitación (endurecimiento por envejecimiento) tras el tratamiento térmico de solución y el temple, aunque un endurecimiento limitado por deformación también puede modificar las propiedades en ciertos tratamientos.

Las características clave del 2004 incluyen alta resistencia específica, buena maquinabilidad y resistencia a la fatiga razonable para aplicaciones estructurales. La resistencia a la corrosión es moderada y típicamente inferior a las aleaciones de las series 5xxx y 6xxx, a menos que esté protegido por revestimientos o recubrimientos; la soldabilidad es desafiante en comparación con aleaciones no endurecibles y requiere selecciones especiales de material de aportación y tratamientos previos/posteriors para evitar el ablandamiento de la zona afectada por el calor (HAZ). Las industrias típicas que usan el 2004 son la aeroespacial para acoplamientos y elementos estructurales, el automovilismo deportivo y automotriz de alto rendimiento para componentes donde el peso y la resistencia son críticos, y ciertas aplicaciones de ingeniería general que requieren alta maquinabilidad.

Los ingenieros eligen el 2004 cuando se necesita una mayor relación resistencia-peso sobre aleaciones comerciales comunes, manteniendo buena resistencia a la fatiga y maquinabilidad, y cuando el diseño puede tolerar o mitigar la menor resistencia a la corrosión. Se selecciona sobre las aleaciones 7xxx en situaciones donde la tenacidad a la fractura y la manufacturabilidad (mecanizado/formado) son prioritarias por encima de la máxima resistencia absoluta.

Variantes de Tratamiento

Tratamiento	Nivel de Resistencia	Elongación	Formabilidad	Soldabilidad	Notas
O	Bajo	Alta (12–20%)	Excelente	Excelente	Totalmente recocido, máxima ductilidad
H14	Medio-Bajo	Moderada (8–12%)	Buena	Aceptable	Leve endurecimiento por deformación para resistencia moderada
T3	Medio-Alto	Moderada (6–12%)	Aceptable	De pobre a aceptable	Tratado térmicamente en solución, trabajado en frío, envejecido natural
T4	Medio	Moderada (8–14%)	Buena	De pobre a aceptable	Tratado térmicamente en solución y envejecido natural
T6	Alta	Baja–Moderada (6–10%)	Limitada	Pobre	Tratado térmicamente en solución y envejecido artificial para máxima resistencia
T7	Medio	Baja–Moderada (6–12%)	Mejor que T6	Pobre	Sobre-envejecido para mejorar la resistencia a la corrosión por esfuerzo y estabilidad dimensional
T651	Alta	Baja–Moderada (6–10%)	Limitada	Pobre	T6 con alivio de tensiones por estirado para minimizar tensiones residuales

El tratamiento térmico tiene una fuerte influencia en el equilibrio entre resistencia y ductilidad; los tratamientos O y H maximizan la formabilidad pero sacrifican la resistencia a la tracción. Los tratamientos de máxima resistencia como T6 producen el mayor límite elástico y resistencia última, pero reducen la elongación y la capacidad de conformado en frío, además de crear susceptibilidad al ablandamiento de la zona soldada a menos que se sigan procedimientos especiales.

Composición Química

Elemento	Rango %	Notas
Si	0.10–0.50	Silicio mantenido bajo para minimizar intermetálicos frágiles; mejora la fundición si está presente
Fe	0.10–0.70	El hierro es un impureza que forma intermetálicos y reduce la ductilidad
Mn	0.20–1.00	El manganeso refina la estructura de grano y mejora la resistencia y tenacidad
Mg	0.10–0.80	El magnesio ayuda en la cinética de precipitación y la resistencia final con Cu
Cu	3.0–5.0	Elemento principal de fortalecimiento; aumenta la resistencia y reduce la resistencia a la corrosión
Zn	0.05–0.30	El zinc se mantiene bajo para evitar comportamientos tipo serie 7xxx
Cr	0.05–0.35	El cromo ayuda en el control de recristalización y mejora la resistencia a la corrosión por esfuerzo
Ti	0.01–0.20	El titanio se usa como refinador de grano en la metalurgia de lingotes y productos fundidos
Otros	0.15 máx. combinado	Incluye V, Zr y residuos; controlados estrictamente para mantener las propiedades

El cobre es el elemento dominante en 2004 y controla la respuesta al endurecimiento por precipitación mediante la formación de Al2Cu y fases metaestables relacionadas durante el envejecimiento. El magnesio y manganeso modifican la cinética de precipitación y la estructura de granos para mejorar la tenacidad y reducir la incidencia de partículas intermetálicas gruesas. Pequeñas adiciones de Cr y Ti se usan para controlar la recristalización y mantener un tamaño de grano estable durante el procesado termomecánico.

Propiedades Mecánicas

En comportamiento a tracción, el 2004 muestra una gran dependencia del tratamiento térmico: en condiciones recocidas ofrece buena elongación y resistencia moderada, adecuada para formado, mientras que tratamientos tipo T6 producen resistencias a la tracción última mucho mayores y correspondientes aumentos en el límite elástico. El límite elástico en 2004 tratado térmicamente aumenta sustancialmente por la distribución fina de precipitados, y el material típicamente muestra una respuesta de endurecimiento por deformación relativamente plana una vez establecidos los precipitados.

La elongación varía desde alta ductilidad en tratamiento O hasta ductilidad moderada en tratamientos envejecidos al pico, influyendo en los límites de formado y la resistencia a la iniciación de grietas por fatiga. La dureza se correlaciona con el estado de envejecimiento: el material recocido tiene baja dureza, mientras que T6 puede alcanzar niveles de dureza altos típicos de aleaciones Al–Cu de grado aeroespacial, lo que beneficia la resistencia al desgaste pero puede dificultar el formado en frío.

El comportamiento a fatiga del 2004 es generalmente bueno para su clase de resistencia cuando se presta atención cuidadosa al acabado superficial y protección contra corrosión; las picaduras pueden reducir dramáticamente la vida a fatiga. Los efectos del espesor son notables: las secciones más gruesas suelen tener microestructuras más gruesas tras solidificación y requieren ciclos de tratamiento térmico específicos para conseguir propiedades uniformes a través del espesor.

Propiedad	O/Recocido	Tratamiento clave (ej. T6)	Notas
Resistencia a la Tracción	180–280 MPa	350–480 MPa	Los valores de T6 dependen del balance exacto Cu/Mg y temperatura/tiempo de envejecimiento
Límite Elástico	80–150 MPa	250–400 MPa	Aumento sustancial por tratamiento de solución y envejecimiento artificial
Elongación	12–20%	6–10%	Compromiso entre resistencia y ductilidad; depende del espesor
Dureza	40–70 HB	110–150 HB	Valores Brinell aproximan rangos típicos para secciones y tratamientos

Propiedades Físicas

Propiedad	Valor	Notas
Densidad	~2.78 g/cm³	Ligeramente mayor que el Al puro debido al contenido de Cu
Rango de Fusión	~500–640 °C	El rango sólido-líquido depende de la composición y elementos de aleación
Conductividad Térmica	~110–130 W/m·K	Inferior al Al puro; el contenido de cobre reduce la conductividad
Conductividad Eléctrica	~28–38 % IACS	Reducida en comparación con Al puro y series 1xxx
Capacidad Calorífica	~0.88 J/g·K (880 J/kg·K)	Típica para aleaciones de Al a temperatura ambiente
Expansión Térmica	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Coeficiente ligeramente inferior al de algunas aleaciones 5xxx

La adición de cobre reduce tanto la conductividad térmica como eléctrica comparado con los grados de aluminio puro, pero el 2004 aún mantiene una conductividad térmica suficientemente alta para muchas aplicaciones de disipación térmica o gestión de calor. La densidad es mayor que las aleaciones de aluminio con bajo contenido de aleantes, pero aún proporciona una favorable relación resistencia-peso frente a muchas aleaciones ferrosas.

La expansión térmica es típica de las aleaciones de aluminio y debe considerarse en ensamblajes multimaterial para evitar concentraciones de tensiones térmicas. El rango de fusión informa las ventanas de tratamientos térmicos y consideraciones de soldadura o brasado; los tratamientos de solución se realizan por debajo del sólido para evitar la fusión incipiente.

Formas del Producto

Forma	Grosor/Tamaño Típico	Comportamiento a la Resistencia	Temple Común	Notas
Chapa	0.2–6.0 mm	Buena uniformidad en calibres delgados tras T4/T6	O, H14, T3, T4, T6	Muy utilizada para componentes conformados y mecanizados
Placa	6–150 mm	Requiere ciclos prolongados de solución; riesgo de núcleos blandos	O, T4, T6	Secciones gruesas necesitan tratamientos específicos para evitar gradientes de propiedades a lo largo del espesor
Extrusión	Perfiles con grandes secciones transversales	Moderadamente buena; respuesta al envejecido depende de la sección	O, T4, T6	El diseño del dado de extrusión es esencial para flujo homogéneo; el control del grano es importante
Tubo	Espesor de pared 1–20 mm	Comportamiento similar a extrusión; variantes con deformación en frío posibles	O, T4, T6	Usado para tubos estructurales y accesorios mecanizados
Barra/Barrilla	Diámetros hasta 200 mm	Alta maquinabilidad; patrón influenciado por historia del lingote	O, T6	Producido por extrusión o colada directa; usado para forjados y piezas mecanizadas

Las chapas y productos delgados son las formas más comunes para el 2004, permitiendo un tratamiento térmico de solución efectivo y enfriamiento rápido para mantener soluciones sólidas sobresaturadas. Las placas gruesas y extrusiones grandes requieren tiempos más prolongados de permanencia y medios de enfriamiento controlados para evitar zonas blandas en el núcleo; esto complica el tratamiento térmico y puede limitar las propiedades alcanzables en secciones muy gruesas.

Las barras y barrillas destinadas a mecanizado de alta precisión suelen suministrarse en temple T6 o T651 para proporcionar estabilidad dimensional y alta dureza para operaciones de tooling. Los tubos y extrusiones se emplean cuando se requiere rigidez del perfil y mecanizado localizado, y la selección de temple equilibra la formabilidad durante la fabricación con la resistencia final requerida.

Grados Equivalentes

Norma	Grado	Región	Notas
AA	2004	USA	Designación dentro de la familia Aluminum Association; basada en composición
EN AW	—	Europa	Equivalentes directos EN AW-2004 son raros; 2024 o 2014 se usan frecuentemente como sustitutos funcionales
JIS	—	Japón	No existe equivalente directo ampliamente adoptado en JIS; usos similares cubiertos por aleaciones clase 2014/2024
GB/T	—	China	Puede existir aleaciones locales pero 2004 no está universalmente estandarizado en todas las regiones

Los equivalentes directos entre normas para el 2004 son poco comunes porque los estándares nacionales tienden a favorecer aleaciones más ampliamente adoptadas como 2014 y 2024 dentro de la familia Al–Cu. Cuando se requieren química exacta y control de proceso, los ingenieros especifican típicamente la composición y temple AA2004. Cuando las normas exigen un número EN, JIS o GB/T, comúnmente se referencia 2014 o 2024 como alternativas funcionalmente similares con la advertencia de que propiedades mecánicas y comportamiento ante corrosión varían.

Resistencia a la Corrosión

La resistencia a la corrosión atmosférica del 2004 es moderada pero inferior a las aleaciones serie 5xxx y 6xxx; la exposición sin protección a ambientes industriales o marinos agresivos puede causar picaduras y corrosión intergranular, especialmente en condiciones de tratamiento térmico donde los precipitados ricos en Cu localizan el ataque. El recubrimiento con aluminio puro o la aplicación de recubrimientos orgánicos/inorgánicos robustos es práctica común para proteger componentes estructurales en servicio corrosivo.

En ambientes marinos, el 2004 debe usarse con precaución a menos que esté adecuadamente protegido; las zonas de inmersión o salpicaduras aceleran la corrosión localizada y reducen la vida a fatiga. Para exposiciones en agua de mar, las aleaciones serie 5xxx y recubrimientos anodizados suelen superar al 2004. En muchas aplicaciones aeroespaciales y marinas donde las aleaciones Al–Cu son necesarias por resistencia, se emplean recubrimientos sacrificatorios, anodizado o protección catódica para extender la vida en servicio.

El agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) es una preocupación para aleaciones Al–Cu cuando se combinan esfuerzos tensiles y especies corrosivas, particularmente en condiciones de envejecido pico. El sobreenvejecido (T7) puede mejorar la resistencia al SCC a costa de la resistencia máxima mediante el coarsening de precipitados y reducción de los pares galvánicos locales. En acoplamientos galvánicos, el 2004 es anódico frente al acero inoxidable y catódico frente al aluminio puro según condiciones locales; se requiere emparejamiento cuidadoso de materiales y aislamiento para evitar corrosión acelerada.

Comparado con otras familias de aleaciones, el 2004 sacrifica resistencia a la corrosión frente a la resistencia relativa de las series 5xxx y 6xxx, aunque ofrece mejor resistencia y maquinabilidad comparado con las aleaciones de series 1xxx y 3xxx. Por ello, la selección debe considerar tratamiento superficial y ciclos de mantenimiento al elegir 2004 para uso prolongado en exteriores o marino.

Propiedades de Fabricación

Soldabilidad

La soldadura de 2004 es desafiante porque las aleaciones Al–Cu son propensas a la fisuración en caliente y a una significativa suavización en la ZAT por disolución de precipitados endurecedores. La soldadura por fusión (MIG/TIG) debe manejarse con precaución; se pueden usar aleaciones de aporte como 4043 o aportes especiales de Al–Cu según requerimientos mecánicos y de corrosión, pero la resistencia de la junta suele ser menor que la del metal base y son comunes zonas blandas en la ZAT. Para estructuras críticas, son preferibles adhesivos, sujetadores mecánicos o soldadura por fricción con agitación (FSW) para preservar propiedades mecánicas y evitar pérdidas importantes en la zona afectada por calor.

Maquinabilidad

El 2004 generalmente presenta buena maquinabilidad comparado con muchas otras aleaciones de aluminio de alta resistencia por su capacidad de formar virutas cortas y controlables y su elevada resistencia que favorece el corte estable. Se recomienda herramienta de carburo con montajes rígidos y geometrías de filo positivo, con velocidades de corte moderadas a altas y abundante refrigerante para evitar incrustaciones. Los acabados superficiales tras mecanizado pueden ser excelentes y se pueden aplicar alivios de tensiones o envejecidos posteriores para restaurar o estabilizar propiedades si es necesario.

Formabilidad

La formabilidad en frío del 2004 depende fuertemente del temple: los temple O y H son adecuados para operaciones complejas con radios de curvatura relativamente pequeños, mientras que los temple T6 y otros de envejecido pico tienen formabilidad limitada en frío y menor deformación permisible en curvatura. Los radios mínimos de doblado deben determinarse experimentalmente, pero como regla general, chapas delgadas en temple O pueden doblarse a 1–2× espesor sin agrietarse, mientras que T6 puede requerir radios de 3–6× espesor o precalentado/recocido para lograr resultados similares.

Comportamiento al Tratamiento Térmico

Como aleación Al–Cu endurecible por precipitación, el 2004 responde bien al tratamiento térmico convencional de solución seguido de enfriamiento rápido y envejecido artificial para desarrollar resistencia máxima. Las temperaturas típicas de solución están entre aproximadamente 495–510 °C con tiempos escalados al espesor para lograr homogenización total sin fusión incipiente. El enfriamiento rápido en agua o medios poliméricos controlados es necesario para retener la sobresaturación para el envejecido subsecuente.

El envejecido artificial para temple T6 se realiza comúnmente a 160–190 °C por tiempos entre 6 y 24 horas dependiendo de la sección y el balance deseado de propiedades; este tratamiento precipita fases metaestables como θ' (Al2Cu) responsables de la resistencia. El envejecido natural (T3/T4) produce dureza moderada en días a temperatura ambiente pero no los niveles pico del envejecido artificial. El sobreenvejecido (T7) a temperaturas mayores o tiempos prolongados coarsena precipitados, reduciendo la resistencia pero mejorando la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión y la estabilidad dimensional.

Las rutas de endurecimiento sin tratamiento térmico (trabajo en frío) son limitadas en 2004 porque gran parte de la resistencia proviene de precipitados; sin embargo, el trabajo en frío controlado antes o después del tratamiento de solución puede modular propiedades en algunos temple. El recocido total restaura ductilidad y elimina endurecimiento previo para permitir operaciones de conformado.

Desempeño a Alta Temperatura

El 2004 sufre pérdida significativa de resistencia a temperaturas elevadas porque las fases precipitadas se disuelven o coarsenan, reduciendo la efectividad del endurecimiento por precipitación. Por encima de ~150 °C, el servicio sostenido acelera el sobreenvejecido y conduce a reducciones medibles en el límite elástico y la resistencia máxima; para servicio estructural continuo, la temperatura de uso segura se limita típicamente a 100–120 °C para conservar la mayoría de propiedades mecánicas.

La oxidación en aire es mínima debido a la capa protectora de óxido de aluminio, pero la exposición prolongada a temperaturas elevadas puede promover la formación de escamas y acelerar el coarsening de precipitados. En zonas soldadas o afectadas térmicamente, la combinación de ciclos térmicos y temperaturas elevadas en servicio puede agravar la suavización y reducir la vida a fatiga. Para aplicaciones estructurales a alta temperatura, generalmente se prefieren aleaciones de níquel o acero y aleaciones especiales de aluminio para alta temperatura.

Aplicaciones

Industria	Componente de Ejemplo	Por qué se usa el 2004
Automotriz	Soportes estructurales, subchasis de alto rendimiento	Alta relación resistencia-peso y buena maquinabilidad para piezas de precisión
Marina	Accesorios, elementos estructurales no sumergidos	Ventaja en resistencia cuando está protegido/revestido; usado en zonas menos agresivas
Aeroespacial	Accesorios, componentes de tren de aterrizaje (no críticos)	Alta resistencia específica y resistencia a la fatiga tras envejecimiento
Electrónica	Disipadores de calor, montajes estructurales	Buena conductividad térmica combinada con maquinabilidad

El 2004 se emplea cuando su mayor resistencia y maquinabilidad justifican protección adicional contra la corrosión o cuando los componentes están protegidos de los ambientes más agresivos. Su equilibrio de propiedades mecánicas y facilidad de mecanizado lo hacen atractivo para componentes de precisión fabricados en volúmenes moderados.

Consideraciones para la Selección

Elija el 2004 cuando las prioridades de diseño enfatizan alta resistencia combinada con excelente maquinabilidad y cuando la corrosión puede mitigarse mediante recubrimientos, revestimientos o ambientes controlados. Es especialmente adecuado para piezas estructurales mecanizadas y donde se requiere endurecimiento por tratamiento térmico para cumplir con los requisitos de carga.

En comparación con el aluminio comercialmente puro (1100), el 2004 ofrece mucha mayor resistencia pero menor conductividad eléctrica y menor conformabilidad general. En comparación con aleaciones endurecidas por deformación como 3003 o 5052, el 2004 proporciona mayores resistencias a la tracción y al límite elástico a cambio de menor resistencia a la corrosión y soldabilidad. Frente a aleaciones tratables térmicamente comunes como 6061 o 6063, el 2004 suele alcanzar mayor resistencia máxima en ciertos estados de temple y mejor maquinabilidad, siendo preferible cuando la mayor resistencia y el desempeño específico frente a fatiga son más importantes que la superior resistencia a la corrosión o equilibrio entre corrosión y soldabilidad del aluminio-magnesio-silicio.

Regla práctica de selección: use 2004 para piezas mecanizadas o envejecidas de alta resistencia donde sean factibles recubrimientos protectores; use aleaciones 5xxx/6xxx para aplicaciones marinas/arquitectónicas expuestas donde la resistencia a la corrosión y la soldabilidad sean factores decisivos.

Resumen Final

La aleación 2004 sigue siendo una opción de ingeniería relevante donde su endurecimiento por precipitación ofrece una favorable relación resistencia-peso y excelente maquinabilidad, siempre que los diseñadores aborden sus limitaciones en resistencia a la corrosión y soldabilidad con métodos adecuados de protección superficial y ensamblaje.