Aluminio 2018A: Composición, Propiedades, Guía de Temple y Aplicaciones
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Resumen Integral
La designación 2018A forma parte de la serie 2xxx de aleaciones de aluminio, caracterizada principalmente por el cobre como el principal elemento de aleación. Esta serie es tratable térmicamente mediante endurecimiento por precipitación y por lo general se fortalece mediante tratamiento térmico de solución seguido de envejecimiento artificial para producir condiciones de alta resistencia como T6 y T651.
Los principales elementos de aleación en 2018A son el cobre (primario), junto con magnesio, manganeso, hierro y silicio presentes en niveles menores para controlar la resistencia, la estructura del grano y la maquinabilidad. El contenido de cobre promueve la formación de precipitados endurecedores por envejecimiento (principalmente variantes de Al2Cu) que proporcionan alto límite elástico y resistencia a la tracción en comparación con aleaciones no tratables térmicamente.
Las características clave de 2018A incluyen alta resistencia estática y buena maquinabilidad en muchos estados de temple, mientras que la resistencia a la corrosión y la soldabilidad son moderadas a bajas en comparación con las aleaciones 5xxx y 6xxx. La conformabilidad en condición recocida es buena, pero disminuye sustancialmente después del tratamiento térmico; la aleación se usa comúnmente en industrias que priorizan la resistencia y estabilidad dimensional sobre la ductilidad en bruto.
Las industrias típicas para 2018A son aeroespacial (fijaciones estructurales, soportes), defensa, elementos de fijación de alta resistencia y ciertos componentes automotrices de alto rendimiento. Los ingenieros seleccionan 2018A cuando se requiere alta resistencia específica y propiedades mecánicas tratadas térmicamente predecibles, y cuando los procesos de mecanizado o unión pueden acomodar sus limitaciones metalúrgicas.
Variantes de Temple
| Temple | Nivel de Resistencia | Elongación | Conformabilidad | Soldabilidad | Notas |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Baja | Alta | Excelente | Excelente | Totalmente recocida, máxima ductilidad para conformado |
| H14 | Moderada | Baja a moderada | Regular | Pobre | Endurecida por deformación, aumento limitado de resistencia |
| T3 | Moderada-Alta | Moderada | Regular | Pobre | Tratada térmicamente en solución y envejecida naturalmente |
| T4 | Moderada-Alta | Moderada | Regular | Pobre | Tratada térmicamente en solución y envejecida naturalmente (no estabilizada) |
| T5 | Alta | Baja | Pobre | Pobre | Enfriada desde temperatura elevada y envejecida artificialmente |
| T6 | Alta | Baja a moderada | Pobre | Pobre | Tratada térmicamente en solución y envejecida artificialmente hasta resistencia máxima |
| T651 | Alta | Baja a moderada | Pobre | Pobre | T6 con alivio de tensiones mediante elongación controlada |
El temple tiene un efecto principal sobre el estado de precipitación y la densidad de dislocaciones; el tratamiento de solución y envejecimiento artificial (T6/T651) maximiza la resistencia y reduce la ductilidad. El temple recocido O se usa cuando se requieren operaciones de conformado y estirado, mientras que T5/T6 se especifican para componentes finales donde se requiere estabilidad dimensional y propiedades mecánicas máximas.
Composición Química
| Elemento | Rango % | Notas |
|---|---|---|
| Si | 0.10 – 0.50 | Desoxidante/impureza; exceso de Si puede formar intermetálicos duros. |
| Fe | 0.20 – 0.70 | Impureza común que influye en fases en límites de grano y resistencia. |
| Mn | 0.30 – 1.20 | Controla la recristalización y estructura de grano; mejora la resistencia. |
| Mg | 0.20 – 0.80 | Contribución menor a la resistencia vía solución sólida y coarsening de precipitados. |
| Cu | 3.9 – 5.0 | Elemento primario de resistencia; forma precipitados Al2Cu con el envejecimiento. |
| Zn | ≤ 0.25 | Elemento menor; exceso de Zn puede fragilizar en algunas condiciones. |
| Cr | 0.05 – 0.25 | Ayuda a controlar la estructura de grano y a retardar la recristalización. |
| Ti | ≤ 0.15 | Refinador de grano cuando está presente en pequeñas cantidades. |
| Otros (cada uno) | ≤ 0.05 | Elementos traza y residuos; controlados según especificación. |
El contenido relativamente alto de cobre es el factor dominante en la respuesta al endurecimiento por envejecimiento y alta resistencia de 2018A. El manganeso y el cromo se añaden para estabilizar la estructura de grano y limitar la recristalización durante el procesamiento termomecánico. El hierro y el silicio son impurezas controladas; si están presentes en cantidades elevadas pueden formar intermetálicos frágiles que reducen la tenacidad y resistencia a la corrosión.
Propiedades Mecánicas
El comportamiento a tracción y límite elástico de 2018A depende fuertemente del temple debido a que la aleación es tratable térmicamente. En condición recocida la aleación muestra resistencia a la tracción moderada con alta elongación adecuada para operaciones de conformado. Después del tratamiento térmico en solución y envejecimiento artificial (T6/T651), la resistencia a la tracción y límite elástico aumentan notablemente debido a precipitados finamente dispersos de Al2Cu, otorgando a la aleación alta capacidad de carga estática pero menor elongación.
La dureza sigue la misma tendencia; la dureza Vickers/Brinell se incrementa significativamente tras el envejecimiento T6 y correlaciona con los valores de límite elástico y resistencia a la tracción. El rendimiento a fatiga se beneficia de la alta resistencia estática y precipitación homogénea en material bien procesado, pero la vida a fatiga es sensible al acabado superficial, muescas y zonas afectadas por el calor generadas durante la soldadura. El espesor tiene un efecto secundario: las secciones más gruesas se enfrían y tratan en solución más lentamente, lo que puede crear gradientes en propiedades mecánicas a menos que se utilicen ciclos de tratamiento térmico adaptados.
| Propiedad | O/Recocido | Temple Clave (T6 / T651) | Notas |
|---|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | ~180 – 240 MPa | ~430 – 480 MPa | Valores T6/T651 típicos de aleaciones Al-Cu de alta resistencia; rangos dependen de forma y procesamiento. |
| Límite elástico | ~60 – 120 MPa | ~350 – 390 MPa | El límite elástico aumenta fuertemente tras el envejecimiento; el diseño debe usar valores mínimos garantizados por proveedor. |
| Elongación | ~18 – 30% | ~8 – 15% | La ductilidad disminuye tras el envejecimiento; menor elongación en secciones gruesas y temple endurecido por precipitación. |
| Dureza (HB) | ~35 – 60 HB | ~100 – 135 HB | Dureza y resistencia a la tracción se correlacionan; la dureza ayuda a evaluar la calidad del tratamiento térmico. |
Propiedades Físicas
| Propiedad | Valor | Notas |
|---|---|---|
| Densidad | ~2.78 g/cm³ | Típica para aleaciones Al-Cu; ligeramente más pesada que el aluminio puro. |
| Rango de fusión | ~500 – 650 °C | Solidus y liquidus dependen de la aleación; requiere control cuidadoso durante brasado/tratamiento térmico. |
| Conductividad térmica | ~120 – 160 W/m·K | Menor que aluminio puro debido a aleación; aún buena para transporte térmico comparado con aceros. |
| Conductividad eléctrica | ~25 – 35 % IACS | Reducida en relación con aluminio comercialmente puro por el cobre y la aleación. |
| Calor específico | ~880 J/kg·K | Típico para aleaciones de aluminio en rango de temperatura ambiente. |
| Coeficiente de expansión térmica | ~23 – 24 ×10⁻⁶ /K | Similar a otras aleaciones de Al; considerar en ensamblajes con materiales disímiles. |
El conjunto de propiedades físicas hace que 2018A sea ventajosa donde se desea combinación de bajo peso y conducción térmica, aunque no iguala a las aleaciones serie 1xxx en conductividad eléctrica o térmica. Densidad y expansión térmica son predecibles y permiten modelado confiable termo-mecánico mediante elementos finitos para rangos comunes de servicio. El comportamiento de fusión y conductividad térmica influyen en estrategias de tratamiento térmico y control de distorsión térmica durante el procesamiento.
Formas de Producto
| Forma | Espesor/Tamaño Típico | Comportamiento a la Resistencia | Temples Comunes | Notas |
|---|---|---|---|---|
| Chapa | 0.3 – 6 mm | Uniforme cuando está laminada y adecuadamente tratada térmicamente | O, T3, T5, T6 | Ampliamente usada para piezas mecanizadas y conformadas; requiere control cuidadoso de enfriamiento y envejecimiento. |
| Placa | 6 – 50 mm | Potencial para gradientes de propiedades a través del espesor | O, T6, T651 | Secciones gruesas requieren tratamientos de solución y enfriamiento adaptados para evitar núcleos blandos. |
| Extrusión | Perfiles grandes | Buen comportamiento como extruido para formas complejas cuando se envejece posteriormente | T5, T6 | La velocidad de extrusión y diseño del dado afectan precipitación y estructura de grano. |
| Tubo | Diámetros/espesores variables | Comportamiento similar a placa/tubería | O, T6 | Usado donde se necesitan miembros tubulares de alta resistencia y bajo peso. |
| Barra/Varilla | Diámetros hasta 200 mm | Buena maquinabilidad y estabilidad dimensional | O, T6 | Barras para fijaciones, elementos de sujeción y componentes mecanizados de precisión. |
La ruta de proceso influye en la microestructura y las propiedades finales: los productos forjados (chapa, placa, extrusión) se suelen tratar en solución y envejecer para alcanzar resistencias objetivo, mientras que la placa gruesa requiere tiempos de mantenimiento prolongados y medios de enfriamiento especializados. La selección de forma de producto debe considerar la transferencia de calor durante el enfriamiento, riesgo de deformaciones y operaciones de mecanizado o conformado posteriores.
Grados Equivalentes
| Norma | Grado | Región | Notas |
|---|---|---|---|
| AA | 2018A | USA | Designación común ASTM/AA para aleación Al-Cu con composición y tratamientos específicos. |
| EN AW | 2018A | Europa | EN AW-2018A es una designación análoga bajo normas EN; verificar límites específicos EN para elementos residuales. |
| JIS | A2017/A2018* | Japón | Existen grados JIS locales con química cercana pero límites de temple e impurezas pueden diferir. |
| GB/T | 2A01 / 2018A* | China | Normas chinas proporcionan aleaciones similares; confirmar garantías mecánicas y tempers con el proveedor. |
Las designaciones equivalentes son aproximadas y deben manejarse con precaución: los rangos nominales de composición, límites residuales y las impurezas permitidas varían según norma y fabricante. Al sustituir materiales entre regiones, verificar los límites químicos exactos, las garantías de propiedades mecánicas y las definiciones de tratamientos térmicos (por ejemplo T651 versus tempers estabilizados locales).
Resistencia a la Corrosión
La resistencia a la corrosión atmosférica del 2018A es moderada; la matriz rica en cobre reduce la pasividad natural comparada con aleaciones aluminio-magnesio. En ambientes atmosféricos benignos, la aleación tiene un desempeño aceptable con recubrimientos aplicados correctamente, pero las aleaciones de la serie 2xxx desnudas son más susceptibles a picaduras y ataques intergranulares que muchas aleaciones 5xxx y 6xxx.
En ambientes marinos o con cloruros, el 2018A presenta menor resistencia respecto a las aleaciones Al-Mg; la corrosión localizada por picaduras y grietas es una preocupación, especialmente para componentes con tensiones residuales a tracción. El ataque inducido por cloruros y la exfoliación se pueden mitigar con recubrimientos protectores, anodizado cuando sea factible o estrategias de protección catódica para estructuras críticas.
La sensibilidad a la corrosión bajo tensión (SCC) es elevada para aleaciones Al-Cu de alta resistencia bajo tensión sostenida y ambientes agresivos. Los diseñadores deben evitar combinaciones de alta tensión aplicada o residual, tempers susceptibles y exposición a cloruros. En apareamientos galvánicos, el 2018A es más noble que el aluminio puro pero menos noble que los aceros inoxidables; el acoplamiento galvánico con metales catódicos requiere aislamiento o separación de diseño para prevenir corrosión acelerada.
Propiedades de Fabricación
Soldabilidad
La soldadura de 2018A es complicada porque la aleación pierde resistencia en la zona afectada por el calor y es propensa a grietas en caliente debido a los componentes ricos en cobre a altas temperaturas. La soldadura por fusión TIG/MIG suele generar un ablandamiento significativo en la ZAC y generalmente se desaconseja para piezas de alta carga a menos que se realice un tratamiento térmico post-soldadura localizado y se califique rigurosamente el procedimiento. Los metales de aporte como varillas de soldadura Al-Cu se usan raramente; en práctica, las uniones remachadas o atornilladas y el adhesivado son preferidos para aplicaciones estructurales.
Maquinabilidad
El 2018A es considerado de los mejores aleaciones de aluminio de alta resistencia para mecanizado, ya que se maquinea limpiamente con formación predecible de viruta y desgaste relativamente bajo de herramienta en comparación con algunas aleaciones más duras. Se recomiendan herramientas de corte optimizadas para metales no ferrosos —carburo recubierto o acero rápido con ángulos positivos de filo— junto con velocidades y avances controlados para evitar acumulación en el filo. El acabado superficial y el control dimensional son excelentes al mecanizar barras en condición T6 o T651 debido a la estabilidad de la estructura precipitada.
Conformabilidad
El conformado es mejor en temple recocido O, donde la aleación tiene elongación y ductilidad sustancialmente mayores. El doblado en frío en condiciones T6 o similares es limitado y requiere radios mayores y compensaciones por rebote elástico; se puede usar conformado en caliente o recocido previo seguido por nuevo tratamiento térmico para lograr formas complejas. Los diseñadores deben definir tempranamente los tempers de conformado para garantizar que sean compatibles el tratamiento térmico y el mecanizado posteriores.
Comportamiento al Tratamiento Térmico
2018A es una aleación de aluminio clásica con endurecimiento por envejecimiento y responde a ciclos estándar de solubilización y envejecimiento para Al-Cu. El tratamiento de solubilización típicamente disuelve fases portadoras de Cu a temperaturas elevadas para formar una solución sólida sobresaturada; un rango comúnmente referenciado para solución es aproximadamente 495–525 °C por tiempos que dependen del espesor de la sección. Inmediatamente tras la solución, se requiere un enfriamiento rápido para retener el estado sobresaturado y permitir la precipitación posterior.
El envejecimiento artificial (tipo T6) se realiza a temperaturas moderadas (normalmente entre 150 y 190 °C) durante varias a decenas de horas dependiendo de la relación deseada entre resistencia máxima y tenacidad. El sobreenvejecimiento reduce la resistencia pero puede mejorar la resistencia a la corrosión bajo tensión y la tenacidad. T651 indica un temple tipo T6 con un proceso de enderezado/estiramiento para reducir tensiones residuales y mejorar la estabilidad dimensional.
Comportamiento a Alta Temperatura
2018A no está destinado para servicio prolongado a alta temperatura; temperaturas elevadas aceleran el crecimiento y disolución de los precipitados, con rápida pérdida de resistencia. La temperatura práctica para uso continuo suele limitarse a menos de aproximadamente 120–150 °C para aplicaciones con carga; por encima de este rango se observa degradación significativa de propiedades con el tiempo.
La oxidación a alta temperatura es mínima comparada con aleaciones ferrosas debido al óxido protector del aluminio, pero el desempeño mecánico y la resistencia a fluencia son pobres a temperaturas elevadas comparado con aleaciones específicas para alta temperatura. Las zonas afectadas por el calor en soldaduras o calentamientos locales pueden sufrir pérdida desproporcionada de resistencia, lo que debe considerarse en el diseño e inspección.
Aplicaciones
| Industria | Componente Ejemplo | Razón para Usar 2018A |
|---|---|---|
| Aeroespacial | Herrajes, soportes, piezas de tren de aterrizaje (no críticas) | Alta relación resistencia-peso y propiedades predecibles tras tratamiento térmico |
| Marina | Miembros estructurales, componentes mecanizados | Buena combinación de resistencia y maquinabilidad cuando se protege con recubrimientos |
| Defensa | Componentes de blindaje, montajes para armas, herrajes de alta resistencia | Alta resistencia estática y buena maquinabilidad para piezas de precisión |
| Automotriz | Soportes y montajes mecanizados de alta resistencia | Logra reducción de peso con alta capacidad de carga estática |
| Electrónica | Partes estructurales para dispersión térmica | Conductividad térmica razonable con alta rigidez |
2018A se selecciona cuando la prioridad de diseño es alta resistencia estática, estrecha estabilidad dimensional y maquinabilidad. Su compensación—menor soldabilidad y resistencia a la corrosión en ambientes desnudos frente a resistencia superior—lo hace ideal para componentes atornillados, remachados o mecanizados en ensamblajes estructuralmente exigentes.
Consideraciones para la Selección
2018A sacrifica conductividad eléctrica y térmica y conformabilidad para ganancias significativas en resistencia comparado con aluminio comercialmente puro (1100). Use 2018A cuando la resistencia y maquinabilidad sean críticas y cuando recubrimientos protectores o aislamiento puedan manejar el riesgo de corrosión.
Comparado con aleaciones endurecidas por deformación como 3003 o 5052, 2018A ofrece resistencias al límite elástico y a la tracción mucho mayores tras tratamiento térmico, pero tiene menor resistencia a la corrosión y soldabilidad inferior. Elija 2018A para ensamblajes de alta resistencia, mecanizados o atornillados donde la conformabilidad y la resistencia extrema a la corrosión no sean los requisitos fundamentales.
Comparado con aleaciones comunes endurecibles como 6061 o 6063, 2018A proporciona típicamente mayor resistencia máxima para aplicaciones estáticas pero puede ser más susceptible a SCC y tiene soldabilidad inferior. Seleccione 2018A cuando su mayor resistencia envejecida y rendimiento en mecanizado justifiquen la necesidad de mayor protección superficial y consideraciones de unión.
Resumen Final
2018A sigue siendo una aleación de aluminio de alta resistencia relevante para aplicaciones de ingeniería donde se prioriza la resistencia con endurecimiento por envejecimiento, excelente maquinabilidad y estabilidad dimensional sobre soldabilidad y resistencia a la corrosión en ambientes desnudos. Con especificación cuidadosa de temple, tratamiento térmico y medidas protectoras, 2018A ofrece un equilibrio robusto de rendimiento para componentes aeroespaciales, de defensa e industriales de alta resistencia.