Aluminio 380: Composición, Propiedades, Guía de Temple y Aplicaciones
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Descripción General Completa
La aleación 380 (comúnmente especificada como A380 en la práctica de fundición a presión) es una aleación fundida de aluminio-silicio-cobre que pertenece a las familias de fundición de aluminio-silicio, frecuentemente referenciadas en el grupo de fundición "3xx". Está formulada para fundición a presión de alto volumen y uso en fundición, con un énfasis composicional en silicio para fluidez y cobre para mejorar la resistencia en estado fundido y la estabilidad a temperaturas elevadas.
Los principales elementos de aleación son el silicio (para fluidez y fortalecimiento eutéctico), el cobre (para precipitación y resistencia a temperatura elevada), y niveles controlados de hierro, zinc, manganeso y trazas de titanio para refinamiento de grano. Los mecanismos de fortalecimiento son mixtos: la microestructura inherente del estado fundido y los intermetálicos que contienen cobre proporcionan una resistencia base, y un tratamiento térmico limitado (envejecimiento artificial estilo T5/T6) puede desarrollar una resistencia adicional mediante endurecimiento por precipitación.
Las características clave del 380 incluyen muy buenas propiedades de llenado en molde, buena estabilidad dimensional, acabado de superficie atractivo y maquinabilidad relativa a muchas aleaciones de fundición, resistencia moderada a la corrosión y propiedades mecánicas razonables para componentes fundidos a presión. Su soldabilidad es limitada en comparación con aleaciones de aluminio trabajadas y no está destinado a conformado extenso después de la fundición. Las industrias típicas incluyen automotriz, carcasas de electrónica de consumo, envolventes eléctricas, carcasas y accesorios mecánicos donde se priorizan la forma casi neta, la producción en volumen alto y la precisión dimensional.
Los ingenieros seleccionan el 380 cuando se requiere una combinación de producibilidad rápida en fundición a presión, buena resistencia en estado fundido y costo económico frente a aleaciones alternativas. La aleación se elige en lugar de aleaciones trabajadas de alto rendimiento cuando se priorizan geometrías complejas y bajo mecanizado secundario, y se prefiere frente a aleaciones de fundición menos aleadas cuando se necesitan mayor resistencia en estado fundido y estabilidad térmica sin aumentar significativamente la complejidad del proceso.
Variantes de Temple
| Temple | Nivel de Resistencia | Elongación | Conformabilidad | Soldabilidad | Notas |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Bajo | Moderada (dependiente del grosor) | Pobre | Pobre a Regular | Estado fundido, puede aplicarse recocido de alivio de tensiones; máxima ductilidad para condición fundida |
| T5 | Medio-Alto | Baja–Moderada | Limitada | Pobre a Regular | Envejecimiento artificial tras enfriamiento rápido del fundido; común para piezas fundidas a presión |
| T6 | Alto | Baja | Limitada | Pobre | Tratamiento de solución + envejecimiento artificial aumenta resistencia pero requiere control cuidadoso de porosidad |
| T651 (menos común) | Alto | Baja | Limitada | Pobre | Aliviado de tensiones y envejecido artificialmente; usado cuando la estabilidad dimensional post-mecanizado es crítica |
| H14 (trabajado en frío; raro) | Medio | Baja | Limitada | Pobre | Normalmente no aplicado a fundiciones; referenciado con fines comparativos |
Los templados seleccionados para 380 suelen estar dictados por el proceso de fundición y la geometría de la pieza más que por rutas convencionales de temple para aleaciones trabajadas. T5 es el temple industrial más común porque aumenta la resistencia mediante envejecimiento artificial sin la extensa exposición térmica y riesgos de deformación del tratamiento de solución completo.
Aplicar tratamiento completo de solución más envejecimiento T6 es posible y puede mejorar propiedades mecánicas, pero requiere control estricto de la porosidad, contenido de hidrógeno y distorsión; por lo tanto, muchos talleres de fundición a presión prefieren condiciones T5 o estado fundido para equilibrar rendimiento, coste y estabilidad dimensional.
Composición Química
| Elemento | Rango % | Notas |
|---|---|---|
| Si | 7.5 – 10.5 | Elemento principal; mejora fluidez, reduce contracción, forma red eutéctica de silicio |
| Fe | 0.6 – 1.3 | Impureza que forma intermetálicos ricos en Fe que reducen ductilidad si es alto |
| Mn | 0.0 – 0.5 | Controla la morfología intermetálica; pequeñas adiciones mejoran resistencia y fundibilidad |
| Mg | 0.05 – 0.35 | Niveles bajos; rol limitado en endurecimiento por precipitación para 380 |
| Cu | 2.5 – 4.5 | Elemento principal de fortalecimiento; promueve fases de precipitación y mayor resistencia a temperatura elevada |
| Zn | 0.5 – 1.2 | Contribución menor al fortalecimiento; afecta comportamiento a corrosión si es elevado |
| Cr | 0.05 – 0.25 | Ayuda a controlar grano e intermetálicos; limita fisuración en ciertas condiciones |
| Ti | 0.01 – 0.25 | Refinador de grano para mejor llenado de molde y microestructura más fina |
| Otros (Ni, Pb, Sn, B) | trazas – máximo especificado | Normalmente controlados en niveles bajos; plomo y estaño a veces controlados por maquinabilidad; balance Al |
El desempeño del 380 está fuertemente controlado por el balance Si–Cu y por elementos traza que influyen en la química y morfología de los intermetálicos. El silicio promueve un eutéctico fino que ayuda a la fundibilidad y control dimensional, mientras que el cobre suministra endurecimiento por precipitados o intermetálicos que aumentan dureza y propiedades a tracción. El control del hierro y manganeso es crítico para evitar intermetálicos gruesos y frágiles que reducirían la ductilidad y la vida a fatiga.
Propiedades Mecánicas
El 380 presenta comportamiento a tracción y límite elástico en estado fundido que depende fuertemente del espesor de sección debido a microestructuras de solidificación, porosidad y distribución de silicio eutéctico e intermetálicos ricos en Cu. La resistencia típica en estado fundido es adecuada para muchos componentes estructurales, pero la elongación es modesta y se ve afectada por la porosidad y defectos de fundición. El desempeño a fatiga está limitado por calidad superficial, defectos de fundición y presencia de intermetálicos frágiles; estrategias comunes de mitigación incluyen granallado, mecanizado superficial y diseño para reducir concentraciones de tensión.
Bajo envejecimiento artificial (T5) y especialmente bajo tratamiento de solución controlado más envejecimiento (T6), las fases que contienen Cu pueden desarrollar endurecimiento por precipitación que aumenta tanto el límite elástico como la resistencia máxima, a costa de menor ductilidad. La dureza sigue la misma tendencia y se usa comúnmente como métrica rápida de control de calidad en producción para evaluar respuesta al temple. El espesor y la velocidad de enfriamiento tienen efecto de primer orden: las secciones delgadas enfrían más rápido, producen microestructuras más finas y mayores resistencias en estado fundido pero también mayores tensiones residuales.
| Propiedad | O/Recocido | Temple Clave (ej. T5/T6) | Notas |
|---|---|---|---|
| Resistencia a la tracción (UTS) | 180 – 260 MPa | 240 – 360 MPa | Rango amplio dependiendo de sección, porosidad y tratamiento térmico; típico T5 ~250–320 MPa |
| Límite elástico (0.2% de offset) | 90 – 170 MPa | 160 – 260 MPa | El límite elástico aumenta significativamente tras envejecimiento; el diseño debe usar límites conservadores bajos para fundiciones de paredes delgadas |
| Elongación (A5) | 1 – 8% | 1 – 5% | La elongación es baja comparada con aleaciones trabajadas y depende mucho de la porosidad y el espesor de sección |
| Dureza (HB) | 60 – 90 HB | 85 – 120 HB | Se usa dureza Brinell para control de proceso; hay correlación con UTS para templados típicos |
Propiedades Físicas
| Propiedad | Valor | Notas |
|---|---|---|
| Densidad | 2.75 – 2.82 g/cm³ | Ligeramente mayor que el aluminio puro debido a contenido de Si y Cu |
| Rango de Fusión | ~500 – 640 °C | El rango eutéctico y solidus/liquidus depende de la aleación; el inicio de flujo se reduce por el Si |
| Conductividad Térmica | 110 – 140 W/(m·K) | Menor que aluminio puro; depende de la aleación y la microestructura |
| Conductividad Eléctrica | ~20 – 35 %IACS | El cobre y el silicio reducen la conductividad eléctrica en comparación con aluminio puro |
| Calor Específico | ~880 – 900 J/(kg·K) | Próximo a otras aleaciones de fundición Al-Si |
| Expansión Térmica | 21 – 24 µm/(m·K) | Expansión térmica moderada típica para aleaciones Al-Si; diseñar para expansión diferencial con otros materiales |
Las propiedades físicas refuerzan su uso típico en fundición a presión: la densidad es favorable para componentes sensibles al peso, la conductividad térmica es adecuada para muchas carcasas y usos de dispersión de calor pero inferior al Al puro. El comportamiento de fusión y solidificación dominado por el silicio es la clave para un excelente llenado del molde y baja contracción, mientras que la conductividad eléctrica es una consideración secundaria y se sacrifica típicamente para conseguir mejores propiedades mecánicas y de fundición.
Formas de Producto
| Forma | Espesor/Tamaño Típico | Comportamiento de Resistencia | Tratamientos Temper | Notas |
|---|---|---|---|---|
| Fundiciones a presión (componentes) | Espesor de pared 1–10 mm | Resistencia en estado colado; secciones delgadas más fuertes debido al enfriamiento más rápido | O, T5, T6 (menos común) | Forma principal del producto; mejor acabado superficial y control dimensional |
| Fundiciones en moldes permanentes | 5–40 mm | Tasas de enfriamiento más bajas, microestructura más gruesa | O, T5 | Usado para piezas más grandes donde la fundición a presión no es económica |
| Fundiciones en arena / gravedad | 5–100+ mm | Microestructura más gruesa, menor resistencia | O | Menos común para 380; utilizado cuando la geometría o los volúmenes lo requieren |
| Barra / Materia prima forjada | Limitado; especialidad | No típico | — | El 380 rara vez se utiliza como producto trabajado; las barras pueden emplearse para trabajos experimentales |
| Extrusión / Chapa / Placa | No estándar | No aplicable | — | El 380 generalmente no se produce en formas de chapa/placa o extrusión estándar; se prefieren aleaciones trabajadas |
La fundición a presión es la vía dominante de procesamiento para el 380 y eso determina las formas de producto disponibles y las reglas de diseño usadas por los ingenieros. El espesor de pared, la ubicación de la entrada, la tasa de enfriamiento y el diseño del molde son los principales factores para controlar las propiedades, y la aleación está optimizada en función de las realidades de la producción mediante fundición a presión de alta presión. Cuando los diseñadores requieren chapa, placa o formas extruidas, normalmente cambian a aleaciones trabajadas porque el 380 no se produce comúnmente en esas formas de producto.
Grados Equivalentes
| Norma | Grado | Región | Notas |
|---|---|---|---|
| AA | 380 / A380 | EE.UU. / Internacional | Designación común para fundición a presión en Norteamérica y varios estándares de fundición |
| EN AW | AlSi9Cu3(Fe) | Europa | Equivalente aproximado en normas europeas de fundición; la nomenclatura enfatiza el contenido nominal de Si y Cu |
| JIS | ADC12 | Japón | Aleación japonesa para fundición a presión ampliamente usada, similar a A380 en composición y aplicación |
| GB/T | AlSi9Cu3 / ZL104 | China | Normas chinas de fundición listan grados similares Al–Si–Cu usados frecuentemente como sustitutos de A380 |
La equivalencia es aproximada porque la práctica de fundición permite variaciones en Fe, Mn y adiciones traza que afectan materialmente la colabilidad y la respuesta mecánica. Las especificaciones difieren en niveles aceptables de impurezas, respuesta al tratamiento térmico y pruebas requeridas, por lo que los ingenieros deben verificar la composición exacta y las tablas de propiedades mecánicas antes de aceptar un grado alternativo para aplicaciones críticas.
Resistencia a la Corrosión
La aleación 380 exhibe una resistencia moderada a la corrosión atmosférica general característica de las aleaciones Al-Si, con protección proporcionada por la película pasiva de óxido de aluminio. El cobre en la aleación tiende a reducir la resistencia a picaduras y puede promover la corrosión localizada en ambientes ricos en cloruros, lo que requiere recubrimientos, alternativas de anodizado o márgenes de diseño en atmósferas marinas o agresivas. Se aplican comúnmente recubrimientos protectores, sellantes y estrategias de protección catódica en piezas críticas utilizadas en ambientes costeros o de alta humedad.
La fisuración por corrosión bajo tensión es menos común en aleaciones fundidas Al-Si que en aleaciones trabajadas de aluminio-cobre de alta resistencia o en aleaciones de la serie 7xxx de alta resistencia, pero la susceptibilidad puede aumentar con mayor contenido de cobre, esfuerzos residuales a tracción y ciertos entornos de servicio. Las interacciones galvánicas son importantes en el diseño del ensamblaje: cuando el 380 se acopla con aceros, aceros inoxidables o aleaciones de cobre, los diseñadores deben considerar las diferencias en la serie galvánica y a menudo aislar el aluminio o usar ánodos sacrificatorios, especialmente donde los recubrimientos están dañados. Comparado con aleaciones Al-Mg ricas en Mg (como 5052), el 380 es más propenso a la corrosión localizada debido al cobre aleado; sin embargo, tiene mejor colabilidad y es frecuentemente preferido para formas complejas donde los recubrimientos pueden aplicarse de forma confiable.
Propiedades de Fabricación
Soldabilidad
La soldadura del 380 es un desafío porque la porosidad de la fundición a presión, los gases atrapados y la presencia de intermetálicos ricos en silicio y cobre promueven la fisuración en caliente y la mala integridad de la soldadura. La soldadura por fusión (MIG/TIG) es posible en piezas adecuadamente preparadas y seccionadas usando aleaciones de aporte Al-Si como ER4043 para mejorar la fluidez y reducir la tendencia a la fisuración en caliente; ER5356 puede usarse donde se requiere mayor resistencia pero con mayor riesgo de fisuración. Se requieren comúnmente precalentamiento, limpieza cuidadosa de fundentes y mecanizado hasta metal sano; las uniones soldadas generalmente no igualan la resistencia ni la vida a fatiga del material base.
Mecanización
El 380 es reconocido por su buena mecanización relativa a muchas aleaciones de fundición debido a la presencia de partículas de silicio que producen virutas cortas y fragmentadas, estabilizando el corte. Se recomienda herramienta de carburo con ángulo positivo y buen refrigerante, y se utilizan velocidades de corte medias a altas para operaciones de semiacabado y acabado. La vida útil de la herramienta mejora minimizando vibraciones, controlando la profundidad de corte y usando recubrimientos adecuados para el mecanizado de aluminio; las variantes con plomo o estaño pueden ofrecer mejor rendimiento de mecanizado pero son menos comunes debido a controles ambientales.
Formabilidad
La conformación del 380 mediante doblado en frío, embutición profunda o estampado es muy limitada debido a que las fundiciones tienen baja ductilidad e intermetálicos frágiles. El diseño near-net-shape es la estrategia dominante: diseñar el molde y la entrada para producir la geometría final y minimizar el conformado posterior a fundición. El mecanizado local, el recorte y doblados ligeros de secciones delgadas son posibles pero requieren selección de tratamiento temper (uso de O/T5) y control cuidadoso del rebote elástico y fisuración. Cuando se requiere conformado significativo, los ingenieros suelen cambiar a aleaciones trabajadas específicamente formuladas para formabilidad.
Comportamiento al Tratamiento Térmico
Como aleación colada Al-Si con cobre, el 380 demuestra una respuesta limitada pero útil al tratamiento térmico. El tratamiento en solución es posible en el rango de 510–540 °C para disolver fases solubles seguido de un enfriamiento rápido; sin embargo, la efectividad está limitada por la porosidad de la fundición, los gases atrapados y la estabilidad de intermetálicos que no se disuelven completamente. Tratamientos en solución prolongados pueden causar distorsión o agravar problemas de porosidad, por lo que las ventanas de proceso son más estrechas que para aleaciones trabajadas.
El envejecimiento artificial (T5) a 150–220 °C es la vía industrial más práctica para aumentar la resistencia del 380 fundido a presión porque no requiere tratamiento completo en solución. El T5 genera una respuesta de precipitación moderada de fases ricas en Cu, mejorando el límite elástico y la dureza sin los cambios geométricos asociados al tratamiento completo en solución. El T6 (tratamiento en solución + envejecimiento artificial) puede proporcionar mayor resistencia máxima pero requiere control cuidadoso y es menos común debido a costo, distorsión y riesgo de porosidad por hidrógeno.