Aluminio 2024: Composición, Propiedades, Guía de Campos y Aplicaciones
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Visión General Completa
2024 es una aleación de aluminio-cobre de la serie 2xxx, desarrollada históricamente para aplicaciones estructurales de alta resistencia. Utiliza cobre como elemento principal de aleación y contiene magnesio y manganeso para refinar la microestructura y favorecer el endurecimiento por precipitación.
El material es una aleación tratable térmicamente que obtiene su resistencia mediante tratamiento de solución, temple y envejecimiento artificial para producir finos precipitados de Al2Cu (θ′). Los niveles de resistencia son altos en comparación con la mayoría de las demás aleaciones de aluminio, pero esto se equilibra con una resistencia a la corrosión general moderada a baja y una soldabilidad limitada sin procedimientos especiales.
Entre sus características clave se incluyen una alta relación resistencia-peso, buena resistencia a la fatiga cuando se procesa correctamente, menor conformabilidad en templas fuertes y susceptibilidad a la corrosión bajo tensión en ciertos ambientes. Los sectores típicos son aeroespacial, militar, automotriz de alto rendimiento y otras aplicaciones estructurales donde la rigidez y la alta resistencia tienen prioridad sobre la facilidad de conformado.
Los ingenieros eligen el 2024 cuando se requiere máxima resistencia estructural y resistencia a fractura/fatiga en piezas de espesor delgado a medio, y cuando el componente puede ser protegido mediante recubrimientos o diseñado para evitar exposiciones corrosivas severas. Su desempeño frecuentemente supera a aleaciones alternativas donde la rigidez crítica para carga y la vida a fatiga determinan la selección del material.
Variantes de Temple
| Temple | Nivel de Resistencia | Elongación | Conformabilidad | Soldabilidad | Notas |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Bajo | Alta | Excelente | Excelente | Estado completamente recocido para máxima ductilidad |
| H14 | Medio | Baja–Media | Limitada | Pobre | Endurecido por deformación a un grado controlado, ductilidad reducida |
| T3 | Alta | Media | Limitada | Pobre | Tratado térmicamente en solución, trabajado en frío y envejecido naturalmente |
| T4 | Alta | Media | Limitada | Pobre | Tratado térmicamente en solución y envejecido naturalmente (se ablanda durante el conformado) |
| T6 | Muy Alta | Baja–Media | Pobre | Pobre | Tratado térmicamente en solución y envejecido artificialmente para máxima resistencia |
| T351 | Muy Alta | Baja–Media | Pobre | Pobre | Tratado en solución, alivio de tensiones por estirado y luego envejecido naturalmente |
| T651 | Muy Alta | Baja–Media | Pobre | Pobre | Tratado en solución, alivio de tensiones por estirado controlado y envejecido artificialmente |
El temple controla fuertemente el compromiso entre resistencia y ductilidad para el 2024. Los templas con envejecimiento máximo como T6/T651 proporcionan las mayores resistencias a tracción y límite elástico, pero reducen la elongación y limitan las operaciones de conformado.
Para fabricación, se usan templas más blandos (O o estados H ligeramente trabajados en frío) cuando se requiere conformado y moldeado, y luego se someten a tratamiento de solución y envejecimiento si se necesita mayor resistencia. La selección del temple también afecta las tensiones residuales, el comportamiento a fatiga y la susceptibilidad a la corrosión bajo tensión, por lo que en aplicaciones aeroespaciales se usan frecuentemente templas controlados como T351 y T651.
Composición Química
| Elemento | Rango % | Notas |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.5 | Elemento impureza; niveles altos reducen resistencia a la corrosión y tenacidad |
| Fe | ≤ 0.5 | El hierro forma intermetálicos que pueden reducir ductilidad y tenacidad |
| Mn | 0.30–0.90 | Controla la estructura de grano; mejora resistencia y tenacidad a fractura |
| Mg | 1.2–1.8 | Contribuye al endurecimiento por precipitación junto con Cu; mejora resistencia |
| Cu | 3.8–4.9 | Elemento principal de fortalecimiento; aumenta resistencia y reduce resistencia a la corrosión |
| Zn | ≤ 0.25 | Impureza menor; exceso de Zn puede reducir resistencia a la corrosión bajo tensión |
| Cr | 0.04–0.35 | Controla la estructura de grano y el comportamiento de recristalización |
| Ti | ≤ 0.15 | Refinador de grano en proceso de fundición/lingote |
| Otros | ≤ 0.15 cada uno; resto Al | Introducidos como elementos traza; el Al constituye el resto de la aleación |
Las características mecánicas y de corrosión de la aleación están mayormente determinadas por la combinación Cu–Mg, que permite el endurecimiento por envejecimiento vía precipitados de Al2Cu y similares. El cromo y el manganeso son adiciones microaleantes clave que controlan la estructura de grano, inhiben la recristalización excesiva y mejoran la tenacidad y el desempeño a fatiga. Las impurezas menores como Si y Fe se limitan porque forman partículas intermetálicas frágiles que degradan la conformabilidad y el comportamiento a fractura.
Propiedades Mecánicas
El comportamiento a tracción en el 2024 se caracteriza por una alta resistencia última y un límite elástico relativamente alto en templas con envejecimiento máximo. Las resistencias a límite elástico y última se maximizan en las variantes T6/T351 debido a los precipitados finamente distribuidos. La elongación disminuye a medida que aumenta la resistencia, con una ductilidad típica adecuada para muchos diseños estructurales pero limitada para procesos severos de estirado o conformado profundo.
La dureza está estrechamente correlacionada con el temple; los valores de dureza Brinell o Vickers se duplican o más al pasar de condición recocida a envejecida al máximo. La resistencia a fatiga del 2024 es generalmente superior a muchas otras aleaciones de aluminio a resistencias estáticas comparables, particularmente cuando se minimizan los sitios de iniciación de grietas mediante buen acabado superficial y protección contra corrosión. El espesor afecta la respuesta mecánica; los calibres delgados son más fácilmente endurecidos y muestran mayor resistencia a fatiga, mientras que se puede dificultar el tratamiento en solución uniforme en secciones gruesas, reduciendo las propiedades máximas.
| Propiedad | O/Recocido | Temple clave (ej. T351/T6) | Notas |
|---|---|---|---|
| Resistencia a tracción (MPa) | 280–350 | 430–505 | Los templas envejecidos al máximo alcanzan el rango superior; los valores varían con forma y espesor del producto |
| Límite elástico (0.2% offset, MPa) | 125–200 | 300–390 | El límite elástico aumenta significativamente tras envejecimiento; pueden aparecer variaciones en forma de sierra a lo largo del espesor |
| Elongación (%) | 18–30 | 8–16 | La ductilidad disminuye con templas de mayor resistencia y chapas más gruesas |
| Dureza (HB) | 55–75 | 115–140 | La dureza se correlaciona con la densidad de precipitados y el temple |
Propiedades Físicas
| Propiedad | Valor | Notas |
|---|---|---|
| Densidad | 2.78 g/cm³ | Densidad típica para aleaciones de aluminio de la serie 2xxx |
| Intervalo de fusión | Sólido ~500–515 °C; Líquido ~640–650 °C | Intervalo típico de fusión para aleaciones Al–Cu; soldadura y brasado deben considerar riesgo de fisuración por calor |
| Conductividad térmica | ~120 W/m·K | Inferior al aluminio puro debido a elementos de aleación |
| Conductividad eléctrica | ~30–35 %IACS (≈18–20 MS/m) | Aproximadamente un tercio de la conductividad del aluminio puro |
| Calor específico | ~0.88 J/g·K (880 J/kg·K) | Dependiente de temperatura; usado para diseño térmico |
| Coeficiente de expansión térmica | ~23.2 μm/m·K (20–100 °C) | Similar a otras aleaciones de aluminio; importante para diseño en ciclos térmicos |
Las conductividades térmica y eléctrica del 2024 son inferiores a las del aluminio puro, consecuencia del cobre y otros solutos que dispersan electrones y fonones. La densidad y expansión térmica de la aleación son típicas para aleaciones estructurales de aluminio, permitiendo diseños livianos pero requiriendo consideración de dilataciones diferenciales cuando se une con materiales disímiles.
El rango de fusión y la susceptibilidad a la fisuración por calor exigen ciclos térmicos controlados durante la soldadura y el brasado, y su conductividad térmica relativamente alta requiere mayores entradas de calor en operaciones de calentamiento localizado.
Formas del Producto
| Forma | Espesor/Tamaño Típico | Comportamiento a la Resistencia | Temple Común | Notas |
|---|---|---|---|---|
| Chapa | 0.2–6.0 mm | Respuesta uniforme en calibres delgados; buen endurecimiento por envejecimiento | O, T3, T351, T6 | Ampliamente usada en revestimientos y accesorios aeroespaciales |
| Placa | >6.0 mm hasta 150–250 mm | Difícil tratamiento en solución uniforme; enfriamiento más lento afecta propiedades | O, T351, T6 | Sección gruesa requiere instalaciones especializadas para tratamiento en solución |
| Extrusión | Diámetros hasta secciones transversales de 200 mm | Endurecimiento por precipitación tras envejecimiento; depende del perfil | O, T3, T6 | Menos común que las extrusiones 6061, usada para perfiles de alta resistencia |
| Tubo | Pared delgada a media | La resistencia varía con el espesor de pared y temple | O, T3, T6 | Usado en tubería estructural y líneas hidráulicas aeroespaciales (con recubrimientos) |
| Barra/Varilla | Diámetros hasta 300 mm | Homogéneo en pequeñas secciones transversales | O, T3, T6 | Usado para forjas y piezas mecanizadas que requieren alta resistencia |
Las chapas y productos delgados responden rápidamente al tratamiento en solución y temple, permitiendo propiedades picos consistentes y buen rendimiento a fatiga. Las placas y extrusiones grandes plantean desafíos de temple; puede que no alcancen la misma resistencia máxima sin controles especiales de proceso, por lo que el diseño debe considerar la variabilidad de propiedades. La forma del producto influye en los tempers permitidos y en la viabilidad de conformado, soldadura y mecanizado en producción.
Grados Equivalentes
| Norma | Grado | Región | Notas |
|---|---|---|---|
| AA | 2024 | USA | Designación ASTM/AA y referencia común para especificaciones |
| EN AW | 2024 | Europa | A menudo indicado como AlCu4Mg1; normas químicas y de temple según especificaciones EN |
| JIS | A2017 / A2024 (aprox.) | Japón | Equivalentes aproximados, pero las aleaciones JIS pueden variar ligeramente en límites de Cu/Mg |
| GB/T | 2A12 | China | Equivalente típico chino para aleaciones serie 2024; designaciones de temple similares |
Existen designaciones equivalentes entre normas, pero los historiales de proceso, límites permitidos de impurezas y definiciones de temple pueden variar según región y fabricante. Para piezas aeroespaciales o críticas para la seguridad, los ingenieros deben verificar la especificación exacta de norma y el tipo de temple en lugar de basarse solo en el número nominal de aleación. Diferencias menores en el control de impurezas y prácticas de fabricación pueden afectar la susceptibilidad a grietas por corrosión bajo tensión (SCC), vida a fatiga y maquinabilidad.
Resistencia a la Corrosión
El 2024 muestra resistencia moderada a la corrosión atmosférica comparado con aluminio puro y aleaciones con magnesio, pero es notablemente más sensible que muchas aleaciones Al-Mg (5xxx) o Al-Mg-Si (6xxx). El alto contenido de cobre reduce la pasividad natural e incrementa las tasas de corrosión general en atmósferas cíclicamente húmedas o ricas en cloruros a menos que se apliquen recubrimientos protectores o revestimientos.
En ambientes marinos o expuestos a cloruros, el 2024 sin revestir es propenso a corrosión localizada y picaduras salvo que esté protegido. Las aleaciones Al-Cu también muestran mayor susceptibilidad a grietas por corrosión bajo tensión (SCC) bajo cargas de tracción sostenidas en ambientes corrosivos, especialmente en tempers envejecidos al pico. Las estrategias de diseño y mantenimiento habitualmente incluyen control de temple, revestimiento con aluminio puro o recubrimientos barrera para mitigar SCC y picaduras.
La interacción galvánica es una preocupación cuando el 2024 está en contacto con metales más nobles como acero inoxidable o cobre; se suelen usar aislamiento protector o ánodos de sacrificio. Comparado con aleaciones 5xxx como 5052, el 2024 sacrifica resistencia a la corrosión a cambio de mayor resistencia mecánica y requiere medidas ambientales más robustas para exposiciones prolongadas.
Propiedades de Fabricación
Soldabilidad
La soldadura del 2024 es desafiante en tempers de alta resistencia porque los precipitados ricos en cobre favorecen la aparición de fisuras por calentamiento y la zona soldada a menudo se ablanda debido a la disolución de los precipitados endurecedores. La soldadura por fusión (MIG/TIG) se evita normalmente en piezas estructurales críticas; cuando es necesaria se emplean metales de aporte especializados (p. ej., 2319 o aportes Al-Cu compatibles) y tratamientos térmicos post-soldadura. La soldadura por resistencia y el ensamblaje mecánico son alternativas comunes en aplicaciones aeroespaciales.
Maquinabilidad
El 2024 es considerado bastante maquinable entre las aleaciones de aluminio de alta resistencia, con buen control del viruta y altas tasas de arranque de viruta en estados T3/T6 comparado con muchos aceros. Se recomiendan herramientas de carburo con ángulo positivo y aplicación adecuada de refrigerante para evitar acumulación de material y endurecimiento secundario. Los índices de maquinabilidad son altos respecto a aceros pero inferiores a aleaciones de aluminio de fácil maquinado; las velocidades y avances deben ajustarse según temple y rigidez de la pieza.
Conformabilidad
La conformabilidad es mejor en el temple recocido O y se deteriora significativamente al aumentar la resistencia. El doblado y embutición superficial son posibles en tempers suaves con radios mínimos relativamente pequeños (radios cerrados para chapa delgada), mientras que el embutido profundo y el conformado por estiramiento complejo están limitados en condiciones T6/T351. Para formas complejas, es común formar en temple más blando seguido de tratamiento en solución y envejecimiento o seleccionar aleaciones más conformables.
Comportamiento al Tratamiento Térmico
El 2024 es una aleación clásica tratable térmicamente que responde a tratamiento en solución, temple y envejecimiento artificial. El tratamiento en solución se realiza típicamente a temperaturas alrededor de 495–505 °C para disolver Cu y Mg en solución sólida, seguido de temple rápido para retener una matriz sobresaturada. El envejecimiento artificial (precipitación) se realiza a temperaturas controladas (p. ej., 160–190 °C) para obtener los tempers deseados como T6 o T651.
Las transiciones de temple son críticas: el sobreenvejecimiento reduce la resistencia pero puede mejorar la resistencia a SCC y la tenacidad, mientras que el subenvejecimiento resulta en menor dureza y resistencia. Para componentes aeroespaciales, se controla con precisión el tiempo de remojo, tasa de temple y ciclos de envejecimiento para lograr propiedades repetibles y minimizar tensiones residuales y distorsiones. Secciones gruesas requieren ciclos térmicos ajustados para evitar segregación y asegurar precipitación adecuada en toda la sección.
Desempeño a Alta Temperatura
El 2024 pierde resistencia con la temperatura más rápidamente que muchas aleaciones de aluminio más resistentes al calor; los límites de diseño prácticos suelen estar por debajo de 150 °C para cargas sostenidas. Por encima de 100–150 °C, el crecimiento de precipitados causa ablandamiento y reducción del límite elástico, haciendo la aleación inadecuada para uso estructural prolongado a alta temperatura. La oxidación no es tan severa como en algunas aleaciones para alta temperatura, pero se recomiendan recubrimientos protectores en ambientes de ciclos térmicos para limitar degradación superficial.
Las zonas afectadas por calor alrededor de las soldaduras sufren sobreenvejecimiento o disolución de precipitados, reduciendo la resistencia local y la resistencia a fatiga. Para componentes con temperaturas elevadas transitorias, el diseño debe considerar la reducción en tensiones admisibles y posibles mecanismos acelerados de corrosión.
Aplicaciones
| Industria | Ejemplo de Componente | Por qué se Usa 2024 |
|---|---|---|
| Aeroespacial | Accesorios de fuselaje y alas, forjas, estructura portapernos | Alta resistencia relativa al peso y excelente resistencia a fatiga |
| Marina | Componentes estructurales y accesorios (recubiertos o revestidos) | Resistencia y vida a fatiga para elementos estructurales con control anticorrosión |
| Automotriz | Soportes estructurales de alto rendimiento, componentes de suspensión | Alta resistencia estática y a fatiga para piezas ligeras de alto desempeño |
| Electrónica | Marcos y soportes mecánicos | Resistencia con conductividad térmica moderada para estructuras rígidas y ligeras |
El 2024 sigue siendo básico en aplicaciones aeroespaciales donde la integridad estructural y la resistencia a fatiga son vitales y donde se pueden aplicar acabados protectores o revestimientos. Su combinación de desempeño mecánico y disponibilidad en tempers controlados lo hace atractivo para hardware crítico en industrias reguladas.
Consideraciones para la Selección
Elija 2024 cuando la resistencia estructural y la resistencia a fatiga sean más importantes que la facilidad de conformado y la robustez ambiental. Es ideal para estructuras delgadas sometidas a cargas elevadas donde los recubrimientos, revestimientos o medidas de diseño pueden mitigar riesgos de corrosión y SCC.
Comparado con aluminio comercialmente puro (p. ej., 1100), el 2024 sacrifica conductividad eléctrica y térmica y superior conformabilidad a cambio de mucha mayor resistencia y mejor rendimiento a fatiga. Comparado con aleaciones endurecidas por trabajo como 3003 o 5052, el 2024 ofrece resistencia estática mucho más alta pero requiere protección anticorrosión más estricta y es menos dúctil. Comparado con otras aleaciones tratables térmicamente como 6061, el 2024 suele ofrecer mayor resistencia a fatiga y tenacidad de fractura en muchos tempers, aunque 6061 puede ser más fácil de soldar y tiene mejor resistencia general a la corrosión; seleccione 2024 cuando la resistencia estructural máxima y vida a fatiga sean criterios prioritarios.
Resumen Final
La aleación de aluminio 2024 sigue siendo una elección fundamental para aplicaciones de alta resistencia y críticas frente a fatiga, donde el ahorro de peso es esencial y se puede implementar protección ambiental. Su naturaleza tratable térmicamente y su metalurgia bien comprendida ofrecen un rendimiento alto y repetible en la industria aeroespacial y otros sectores exigentes, manteniendo su relevancia a pesar de la disponibilidad de alternativas más resistentes a la corrosión o más fácilmente soldables.