Aluminio 4004: Composición, Propiedades, Guía de Temple y Aplicaciones

Descripción General Completa

El Alloy 4004 es un miembro de la serie 4xxx de aleaciones de aluminio, que son composiciones trabajadas con contenido de silicio dentro de la familia Al-Si. La serie 4xxx se caracteriza por tener el silicio como el principal elemento de aleación, típicamente combinado con niveles traza de hierro, cobre, manganeso y otras impurezas para ajustar la fundibilidad y las propiedades térmicas.

El mecanismo nominal de fortalecimiento para el 4004 es principalmente por endurecimiento en solución sólida debido al silicio y la dispersión de fases intermetálicas ricas en Si; es en gran medida no tratable térmicamente y depende del endurecimiento por deformación (operaciones en temple H) y enfriamiento controlado para ajustar las propiedades. Las características clave del 4004 incluyen resistencia moderada a buena para una aleación no tratable térmicamente, mejor desgaste y estabilidad térmica comparada con grados muy puros, buena resistencia a la corrosión en muchas atmósferas, y generalmente buena soldabilidad y conformabilidad.

Las industrias que comúnmente utilizan aleaciones de la serie 4xxx como el 4004 incluyen la automotriz (componentes de carrocería y alambres de relleno), electrodomésticos, intercambio térmico y electrónica (donde la conductividad térmica y la fundibilidad son importantes), y transporte donde se requiere un equilibrio entre conformabilidad y rendimiento térmico elevado. Los ingenieros seleccionan el 4004 cuando necesitan mejor estabilidad dimensional a altas temperaturas o propiedades térmicas que el aluminio comercialmente puro, pero sin el costo o la complejidad de procesamiento de aleaciones tratables térmicamente de mayor resistencia.

El 4004 se elige frecuentemente sobre grados con menor contenido de aleación porque ofrece una compensación pragmática: el contenido mejorado de silicio mejora la estabilidad a altas temperaturas y reduce la expansión térmica mientras mantiene un buen comportamiento de conformado en frío y soldabilidad. Se prefiere cuando los factores de diseño son resistencia moderada combinada con conductividad térmica, reducción de la fragilidad en caliente durante soldadura o brasado, y desempeño consistente en operaciones de conformado y unión.

Variantes de Temple

Temple	Nivel de Resistencia	Elongación	Conformabilidad	Soldabilidad	Notas
O	Bajo	Alta	Excelente	Excelente	Condición completamente recocida para máxima ductilidad
H12	Bajo-Medio	Medio	Muy Buena	Muy Buena	Endurecido ligero por deformación, recuperación limitada en formado
H14	Medio	Medio-Bajo	Bueno	Muy Buena	Temple común por trabajo en frío para aplicaciones en chapa
H18	Alto	Bajo	Pobre	Bueno	Completamente duro, usado cuando se requieren propiedades elásticas
T4*	Bajo-Medio	Medio	Muy Buena	Muy Buena	Condición limitada de solubilizado; aplicabilidad depende de química exacta
T5*	Medio	Medio-Bajo	Bueno	Bueno	Envejecido artificialmente a partir de enfriamiento desde fundición; potencial de endurecimiento limitado
T6*	Medio	Medio-Bajo	Moderado	Moderado	Algunas aleaciones 4xxx muestran respuesta de precipitación limitada; beneficios modestos

Después de la tabla, la selección de temple para el 4004 gira principalmente en torno al endurecimiento por trabajo frente a estados recocidos, donde O ofrece ductilidad máxima y la serie de temple H aumenta incrementalmente los niveles de límite elástico y resistencia a la tracción. Cuando se especifica tratamiento térmico menor (tipos T), el endurecimiento alcanzable es limitado en comparación con las aleaciones tratables térmicamente 2xxx o 6xxx y se utiliza principalmente para estabilizar la microestructura o aliviar tensiones residuales más que para obtener grandes incrementos de resistencia.

Composición Química

Elemento	Rango %	Notas
Si	0.7–1.6	Elemento principal de aleación; controla el endurecimiento por solución sólida y el comportamiento térmico
Fe	0.2–0.8	Elemento impureza; forma intermetálicos que influyen en la resistencia y maquinabilidad
Mn	0.05–0.5	Modificador de estructura de grano; mejora marginalmente la resistencia y la corrosión
Mg	0.02–0.25	Niveles bajos pueden mejorar la respuesta al endurecimiento por trabajo; fortalecimiento por precipitación limitado
Cu	0.02–0.25	Pequeñas adiciones incrementan la resistencia pero pueden reducir la resistencia a la corrosión si es alto
Zn	0.02–0.15	Generalmente bajo; limitado para evitar fragilización y susceptibilidad a SCC
Cr	0.01–0.10	Elemento traza para controlar estructura de grano y recristalización en templas
Ti	0.01–0.10	Refinador de grano añadido en pequeñas cantidades, especialmente en fundición o procesamiento de lingotes
Otros	Balance Al	Residuos y elementos trampas controlados para cumplir con especificaciones mecánicas y de corrosión

La combinación de silicio con niveles modestos de hierro y manganeso define el comportamiento mecánico y térmico de la aleación 4004; el silicio reduce principalmente el rango de fusión localmente e incrementa la resistencia vía solución sólida y formación de intermetálicos. Elementos traza como Ti y Cr se usan para refinar el tamaño de grano, mejorando la tenacidad y la conformabilidad, mientras que el contenido de cobre o zinc más alto se mantiene intencionadamente bajo para preservar la resistencia a la corrosión y evitar sacrificar la soldabilidad.

Propiedades Mecánicas

El comportamiento a tracción del 4004 es consistente con una aleación Al-Si no tratable térmicamente: ofrece resistencia última y límite elástico moderados que pueden incrementarse mediante trabajo en frío, pero no alcanzan las máximas resistencias de aleaciones endurecibles por envejecimiento. La elongación en condición recocida es alta, permitiendo conformado complejo, y disminuye de forma predecible con la progresión en temple H. La dureza y los valores de tracción están influenciados por el espesor, el historial de procesamiento y la presencia de intermetálicos ricos en silicio los cuales pueden tanto fortalecer como actuar como sitios de iniciación de grietas bajo carga cíclica.

El desempeño en fatiga es adecuado para muchas aplicaciones estructurales, pero los ingenieros deben ser cautelosos con fatiga de alto ciclo en presencia de muescas de mecanizado o defectos de soldadura, ya que los intermetálicos de silicio pueden localizar tensiones. Los efectos del espesor son significativos: calibres más delgados se trabajan en frío de manera más uniforme y alcanzan mayores resistencias relativas para un temple dado, mientras que secciones más gruesas pueden retener núcleos más blandos y mostrar ductilidad reducida en doblado o embutición profunda.

Propiedad	O/Recocida	Temple Clave (p. ej. H14)	Notas
Resistencia a la tracción (MPa)	90–140	140–220	Rangos de resistencia dependen del trabajo en frío y calibre; valores aproximados para formas en chapa
Límite elástico (MPa)	40–80	80–160	El límite elástico aumenta marcadamente con temple H; H14 típico para chapa estructural
Elongación (%)	20–35	6–18	La condición recocida rinde máxima ductilidad; el temple H reduce ductilidad a favor de resistencia
Dureza (HB)	20–40	40–90	Brinell/Vickers aumenta con trabajo en frío; la dureza se correlaciona con propiedades a tracción

Propiedades Físicas

Propiedad	Valor	Notas
Densidad	2.68–2.71 g/cm³	Densidad típica de aleación de aluminio, ligeramente dependiente del contenido de aleación
Rango de Fusión	~577–652 °C	El silicio reduce los puntos de fusión localizados respecto al Al puro; el rango sólido-líquido varía con Si
Conductividad Térmica	120–165 W/m·K	Menor que el Al puro pero aún alta comparada con aceros; favorable para disipadores térmicos
Conductividad Eléctrica	30–45 %IACS	Reducida respecto al Al puro (60%+ IACS) debido a las adiciones de aleación
Calor Específico	~0.88–0.90 J/g·K	Comparable con otras aleaciones de Al; útil para cálculos de masa térmica
Expansión Térmica	22–24 µm/m·K	Ligeramente menor que el Al puro en aleaciones Al-Si, mejorando la estabilidad dimensional con la temperatura

Estas propiedades físicas hacen al 4004 atractivo para aplicaciones que requieren un equilibrio entre bajo peso, conducción térmica y conductividad eléctrica razonable. La conductividad térmica se mantiene suficientemente alta para muchas aplicaciones de disipadores y difusores de calor, mientras que la reducción de la expansión térmica y la mejora en las características de solidificación hacen que la aleación sea adecuada para ensamblajes soldados o braseados donde se debe controlar la deformación.

Formas del Producto

Forma	Espesor/Tamaño Típico	Comportamiento de Resistencia	Tratamientos Comunes	Notas
Chapa	0.3–6.0 mm	Muestra propiedades fuertemente dependientes del espesor; la chapa endurece por deformación de forma predecible	O, H14, H18	Forma principal para paneles de carrocería, intercambiadores de calor y cubiertas de electrodomésticos
Placa	6–50+ mm	Las secciones más gruesas retienen núcleos más blandos a menos que se trabajen intensamente	O, H12, H14	Se usa donde se requiere mayor rigidez; ductilidad limitada para embutición profunda
Extrusión	Sección transversal de 2–80+ mm	Las secciones extruidas pueden ser estabilizadas por envejecimiento y trabajadas en frío después de la extrusión	O, H11, H22	Común para perfiles estructurales y marcos
Tubo	Ø 6–300 mm	Tubos soldados o sin costura; la resistencia depende del espesor de pared y el tratamiento	O, H14, H18	Utilizado en manejo de fluidos y estructuras livianas
Barra/Varilla	Ø 3–100+ mm	Las barras pueden ser trefiladas en frío para aumentar la resistencia; buena maquinabilidad	O, H12, H14	Usado para componentes mecanizados y blanks para sujetadores

Los productos en chapa y extrusión son las formas de entrega más comunes para 4004, y sus rutas de procesamiento—laminado, recocido, reducción en frío y nivelado por estirado—dictan las respuestas mecánicas finales. La placa y las secciones más pesadas son menos conformables y a menudo requieren pre-mecanizado o conformado escalonado, mientras que las extrusiones aprovechan el control del enfriamiento y la preparación del lingote para gestionar el flujo de grano y el acabado superficial.

Grados Equivalentes

Norma	Grado	Región	Notas
AA	4004	USA	Designación de Aluminum Association; usado en algunos catálogos regionales
EN AW	4xxx (aprox.)	Europa	Las designaciones EN agrupan aleaciones Al-Si en general; la numeración específica puede variar
JIS	A4xxx (aprox.)	Japón	Normas japonesas listan miembros de la familia Al-Si con químicas similares
GB/T	4xxx (aprox.)	China	Las normas chinas incluyen varias aleaciones forjadas Al-Si con propiedades superpuestas

La equivalencia entre normas debe manejarse con precaución porque la familia 4xxx abarca un rango de contenidos de silicio y adiciones menores que modifican el rendimiento. La referencia cruzada debe considerar los rangos químicos exactos y definiciones de temple; la sustitución directa sin verificar propiedades puede ocasionar diferencias inesperadas en conformabilidad, soldabilidad y resistencia a la corrosión.

Resistencia a la Corrosión

La resistencia atmosférica del 4004 es generalmente buena para ambientes típicos interiores y exteriores poco contaminados; los contenidos relativamente bajos de cobre y zinc limitan la aceleración galvánica de la corrosión. La presencia de intermetálicos de silicio y hierro puede generar sitios catódicos locales bajo condiciones agresivas, pero en general la aleación forma una capa pasiva de óxido estable que protege contra la corrosión uniforme.

En ambientes marinos y con cloruros, el 4004 tiene mejor desempeño que algunas aleaciones con cobre pero sigue siendo más susceptible al pitting en zonas de daño mecánico o discontinuidades de soldadura comparado con aleaciones de magnesio 5xxx de alta resistencia. Se recomiendan tratamientos superficiales adecuados, selladores y diseño para drenaje para mitigar corrosión por grietas y pitting en aplicaciones marinas expuestas.

La susceptibilidad a la corrosión bajo tensión (SCC) del 4004 es baja en comparación con aleaciones de alta resistencia tratables térmicamente; sin embargo, esfuerzos residuales localizados por soldadura o trabajo en frío combinados con un ambiente corrosivo pueden aumentar el riesgo. Al diseñar ensamblajes en contacto con metales disímiles, deben considerarse cuestiones galvánicas—el aluminio 4004 es anódico respecto a aceros inoxidables y metales nobles y puede requerir aislamiento o protección sacrificial para evitar ataques acelerados.

Propiedades de Fabricación

Soldabilidad

El 4004 presenta buena soldabilidad por fusión con procesos estándar como MIG, TIG y soldadura por resistencia debido al contenido de silicio que reduce la tendencia al agrietamiento en caliente. La selección de alambre de aporte típicamente favorece composiciones Al-Si similares (p. ej., aportes Al-5Si) para controlar la solidificación y minimizar la porosidad; el pre-calentamiento y control del aporte térmico mejoran la integridad de la unión. La zona afectada por el calor puede mostrar ablandamiento si el material base estaba endurecido por deformación, por lo que es frecuente un tratamiento mecánico post-soldadura o compensación en diseño.

Maquinabilidad

La maquinabilidad del 4004 se considera de regular a buena comparada con aluminio comercialmente puro más blando; el silicio y pequeñas partículas intermetálicas mejoran la rotura del viruta pero pueden aumentar el desgaste de herramienta respecto a grados muy puros. Herramientas de carburo con ángulo positivo y geometrías aptas para altas velocidades ofrecen la mejor productividad, y velocidades de corte moderadas a altas con abundante refrigerante reducen el borde construido. Taladrado y roscado requieren control de avance para evitar vibraciones, y pasadas de acabado ayudan a mantener la integridad superficial donde el rendimiento frente a fatiga es crítico.

Conformabilidad

La conformabilidad en tratamientos O y H ligeros es buena, soportando embutición profunda y doblados complejos con control adecuado del rebote elástico. Los radios mínimos de curvatura son función del temple y espesor; la chapa recocida puede tomar radios más pequeños (≈1–2× el espesor) mientras que los tempers H18 o muy trabajados requieren radios mayores (≥3–6× el espesor). Para operaciones severas, usar O o H12 seguido de estabilización por envejecimiento y ciclos de alivio de tensiones optimiza el control dimensional y reduce riesgo de desgarro.

Comportamiento ante Tratamiento Térmico

Como aleación representativa 4xxx, el 4004 se clasifica como mayoritariamente no tratable térmicamente; no responde a tratamientos convencionales de solubilización y envejecimiento artificial con incrementos de resistencia tan significativos como las aleaciones 2xxx o 6xxx. Los intentos de aplicar tratamientos estilo T6 solo producen mejoras modestas, por lo que los tratamientos térmicos se usan principalmente para homogeneizar microestructuras de fundición, aliviar tensiones, o modificar ligeramente la ductilidad en lugar de generar grandes aumentos de resistencia.

El endurecimiento por trabajo es la principal vía de fortalecimiento: la reducción en frío controlada y rutas de deformación (H1x/H2x/H3x) permiten incrementos predictivos en límite elástico y resistencia a tracción. Los ciclos de recocido completo devuelven el material a condición dúctil y frecuentemente se especifican antes de operaciones de conformado; tratamientos de estabilización (p. ej., envejecimiento a baja temperatura) pueden usarse para minimizar deriva de propiedades tras conformado o soldadura.

Desempeño a Alta Temperatura

A temperaturas elevadas, el 4004 muestra una reducción gradual en límite elástico y resistencia a tracción a medida que las fases ricas en silicio coarsen y el fortalecimiento por solución sólida disminuye; la capacidad estructural útil típicamente se extiende hasta temperaturas de servicio moderadamente altas (aproximadamente hasta ~150–200 °C) según carga y ambiente. La oxidación es mínima comparada con aleaciones férricas, pero la exposición prolongada a temperaturas más altas puede causar ablandamiento y deriva dimensional; los diseñadores deben prever fluencia bajo cargas sostenidas.

Las uniones soldadas pueden ser sensibles a la exposición a alta temperatura donde esfuerzos residuales y cambios microestructurales locales generan zonas de capacidad mecánica reducida; tratamientos térmicos post-soldadura o diseño para redistribución de cargas son mitigaciones comunes. Para aplicaciones con ciclos térmicos, la expansión térmica relativamente estable y buena conductividad del 4004 reducen gradientes térmicos, pero se requiere atención a la iniciación de fatiga térmica en concentradores de esfuerzo.

Aplicaciones

Industria	Componente Ejemplo	Por qué se usa 4004
Automotriz	Paneles interiores de carrocería, escudos térmicos	Equilibrio entre conformabilidad, estabilidad térmica y soldabilidad
Marina	Componentes estructurales no críticos, molduras	Buena resistencia a la corrosión y fabricabilidad para atmósferas marinas
Aeroespacial	Fittings secundarios, carenados	Relación favorable resistencia-peso y estabilidad térmica dimensional
Electrónica	Disipadores de calor, carcasas	Alta conductividad térmica con conformabilidad más fácil que aleaciones fundidas Al-Si

El 4004 se especifica comúnmente cuando el diseño requiere una combinación de conformabilidad, resistencia razonable y mejor comportamiento térmico comparado con aluminio muy puro o aleaciones con alto contenido de cobre. Su uso en automotriz y electrónica refleja la necesidad de manufacturabilidad (formado, unión) junto con rendimiento térmico y de corrosión.

Consejos para la Selección

Para una nota rápida de selección: elija 4004 cuando necesite resistencia moderada con superior conformabilidad y propiedades térmicas comparadas con aluminio comercialmente puro, y donde la soldabilidad y baja susceptibilidad a grietas en caliente sean importantes. Es particularmente atractivo cuando la conductividad térmica y estabilidad dimensional bajo ciclos térmicos son factores de diseño.

Comparado con 1100 (aluminio comercialmente puro), el 4004 sacrifica algo de conductividad eléctrica y una conformabilidad ligeramente mejor para incrementar significativamente la resistencia y estabilidad térmica. Comparado con aleaciones endurecidas por trabajo como 3003 o 5052, el 4004 ofrece generalmente rendimiento térmico comparable o algo superior y conformabilidad similar, pero resistencia a corrosión final ligeramente menor en ambientes altos en cloruros que grados 5xxx con magnesio. Comparado con aleaciones tratables térmicamente como 6061 o 6063, el 4004 usualmente tendrá menor resistencia máxima pero mejor soldabilidad y comportamiento térmico; selecciónelo cuando no se requiera máxima resistencia por envejecimiento y la facilidad de unión y formado sea prioritaria sobre la máxima resistencia a tracción.

Resumen Final

La aleación 4004 sigue siendo relevante porque cubre un nicho práctico: un aluminio no tratable térmicamente, reforzado con silicio, que combina buena formabilidad, soldabilidad confiable y un desempeño térmico favorable para una amplia gama de aplicaciones industriales. Su conjunto equilibrado de propiedades y comportamiento predecible en el proceso la convierten en una opción robusta para diseñadores que buscan soluciones de aluminio fabricables y térmicamente estables.