Aluminio 7015: Composición, Propiedades, Guía de Temple y Aplicaciones
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Visión General Integral
La aleación 7015 pertenece a la serie 7xxx de aleaciones de aluminio, una familia dominada por el zinc como elemento principal de aleación y típicamente reforzada con magnesio y cobre para el endurecimiento por precipitación. Como una aleación endurecible por tratamiento térmico y envejecimiento por precipitación, la 7015 utiliza una química Zn-Mg-Cu para alcanzar alta resistencia mediante tratamiento térmico en solución, temple y envejecimiento artificial en lugar de trabajo en frío.
Las características clave de la 7015 incluyen alta resistencia a la tracción y al límite elástico, propiedades moderadas a buenas de fatiga cuando se trata e inspecciona adecuadamente, y una resistencia a la corrosión aceptable que puede mejorarse mediante sobreenvejecimiento o revestido. La aleación es menos soldable que la mayoría de las aleaciones 5xxx y 6xxx y requiere un control térmico y mecánico cuidadoso durante la fabricación; la conformabilidad es adecuada en estados recocidos y ciertos temple H, pero se reduce notablemente en los estados de envejecimiento máximo.
La 7015 se utiliza en componentes estructurales aeroespaciales, fijaciones de alta resistencia y aplicaciones donde la relación resistencia-peso es prioritaria sobre la resistencia a la corrosión o la conductividad máxima. Los ingenieros seleccionan la 7015 cuando se requiere una resistencia específica superior a la de 6061/6063 y cuando la vida útil y la rigidez del diseño se benefician de una ruta tratable térmicamente con solución y envejecimiento en lugar de endurecimiento por trabajo.
Variantes de Temple
| Temple | Nivel de Resistencia | Elongación | Conformabilidad | Soldabilidad | Notas |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Bajo | Alta (18–30%) | Excelente | Excelente | Recocido completo, óptimo para conformado y mecanizado |
| F | Muy baja–baja | Alta | Excelente | Buena | Estado fabricado, sin control de temple |
| H12 | Medio | Baja–Media (6–10%) | Regular | Limitada | Endurecido por deformación parcial, flexibilidad limitada |
| H14 | Medio | Baja (6–8%) | Regular | Limitada | Endurecimiento ligero para aumento moderado de resistencia |
| H114 | Medio | Media (8–12%) | Buena | Limitada | Temple estabilizado para mejorar resistencia a SCC |
| T6 | Alto | Baja–Media (6–10%) | De pobre a regular | Difícil | Envejecido al máximo para máxima resistencia, susceptible a SCC |
| T651 | Alto | Baja–Media (6–10%) | De pobre a regular | Difícil | Tratado en solución, alivio de tensiones por estirado, temple común en aeroespacial |
| T73 | Medio–Alto | Media (8–12%) | Regular | Moderada | Sobreenvejecido para mejorar resistencia a corrosión y SCC |
| T76 / T77 | Medio | Media (8–13%) | Regular | Moderada | Envejecimiento modificado para mejor tenacidad o comportamiento frente a corrosión por tensión |
La selección del temple domina el rendimiento final: los temple T6/T651 proporcionan máxima resistencia a costa de ductilidad y mayor susceptibilidad a la corrosión por tensión, mientras que los temple sobreenvejecidos (T73/T76) sacrifican algo de resistencia máxima para mejorar la resistencia a corrosión y SCC. El trabajo en frío (temple H) permite resistencias intermedias sin necesidad de tratamiento térmico completo, pero reduce la conformabilidad y puede generar propiedades heterogéneas a través del espesor.
Composición Química
| Elemento | Rango % | Notas |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.40 | Impureza; controlada para limitar fase de colada y de borde de grano |
| Fe | ≤ 0.50 | Controlada para minimizar intermetálicos que reducen tenacidad |
| Cu | 1.0–2.0 | Contribuye a la resistencia y cinética de envejecimiento; aumenta sensibilidad a SCC |
| Mn | ≤ 0.10 | Menor; puede modificar la estructura de grano y mejorar ligeramente la tenacidad |
| Mg | 1.6–2.6 | Elemento principal de refuerzo junto con Zn mediante precipitados de MgZn2 |
| Zn | 5.0–6.8 | Elemento principal de reforzamiento; controla resistencia en envejecimiento máximo |
| Cr | 0.05–0.25 | Microaleación para controlar tamaño de grano y recristalización |
| Ti | ≤ 0.10 | Refinador de grano en productos colados/extruidos |
| Otros (Zr, V, trazas) | ≤ 0.20 combinado | Aditivos microaleantes para controlar recristalización y mejorar vida a fatiga |
El rendimiento de la 7015 está regido por el balance relativo de Zn, Mg y Cu que determinan la fracción volumétrica, química y coherencia de los precipitados de refuerzo tras el envejecimiento. Aditivos menores como Cr, Zr o Ti actúan para controlar la recristalización y el tamaño de grano durante el procesado termomecánico, mejorando la tenacidad y reduciendo tendencias a exfoliación o corrosión intergranular.
Propiedades Mecánicas
En comportamiento a tracción, la 7015 en estado envejecido máximo (T6/T651) presenta resistencias máximas y límites elásticos altos comparables con otras aleaciones de alta resistencia de la serie 7xxx, mostrando respuesta lineal-elástica hasta el límite elástico y elongaciones uniformes limitadas antes del flujo plástico. En estado recocido (O) muestra resistencia mucho más baja pero ductilidad sustancialmente mayor, útil para conformado en frío o embutición profunda antes del tratamiento térmico final.
La dureza sigue la misma tendencia que las propiedades a tracción, con valores de dureza Brinell o Vickers subiendo marcadamente tras el envejecimiento y alcanzando su punto máximo en condición T6; los datos de dureza deben interpretarse junto con el temple, espesor y programa específico de tratamiento térmico. El comportamiento a fatiga es generalmente favorable para un aluminio de alta resistencia si se controla el acabado superficial y se mitiga la corrosión; sin embargo, la fatiga y la tenacidad a fractura disminuyen conforme aumenta la resistencia y en presencia de picaduras por corrosión bajo tensión o inclusiones intermetálicas.
El espesor tiene un efecto importante en las propiedades alcanzables debido a que la eficacia del tratamiento térmico en solución y el temple disminuye con el espesor de la placa; las secciones gruesas son más difíciles de templar de manera uniforme y pueden mostrar menores límites elásticos y resistencias a tracción como resultado. Las tensiones residuales del temple y el posterior alisado o alivio por estirado (T651) también impactan en la estabilidad dimensional y vida a fatiga en aplicaciones estructurales.
| Propiedad | O/Recocido | Temple Clave (ej. T6/T651) | Notas |
|---|---|---|---|
| Resistencia a tracción | 230–320 MPa (típico) | 520–570 MPa (típico) | Valores variables con espesor y envejecimiento; T6 da resistencia máxima |
| Límite elástico | 110–200 MPa (típico) | 470–520 MPa (típico) | Límite elástico aumenta marcadamente tras solución y envejecimiento |
| Elongación | 18–30% | 6–10% | Elongación disminuye al aumentar la resistencia; depende de temple y espesor |
| Dureza | 60–90 HB | 140–160 HB | Rangos aproximados Brinell, dependientes de tratamiento térmico y microestructura |
Propiedades Físicas
| Propiedad | Valor | Notas |
|---|---|---|
| Densidad | ≈ 2.80 g/cm³ | Ligeramente mayor que el Al puro debido a elementos de aleación |
| Rango de Fusión | ≈ 475–635 °C | Solidus y liquidus varían con composición e impurezas |
| Conductividad Térmica | ≈ 120–140 W/(m·K) | Inferior al Al puro; depende de temple y trabajo en frío |
| Conductividad Eléctrica | ≈ 30–40 %IACS | Reducida respecto al aluminio puro por aleación; varía con temple |
| Calor Específico | ≈ 880–910 J/(kg·K) | Típico de aleaciones de aluminio cerca de temperatura ambiente |
| Coeficiente de Dilatación Térmica | ≈ 23–25 µm/(m·K) | Comparable entre aleaciones de Al; importante para diseño en ciclos térmicos |
Estas propiedades físicas subrayan compensaciones en gestión térmica y unión: la conductividad térmica sigue siendo suficiente para muchos roles de disipación de calor pero es inferior al aluminio puro y algunas aleaciones 6xxx. La conductividad eléctrica se reduce por la aleación y debe considerarse cuando se selecciona la 7015 para aplicaciones eléctricas o donde la resistencia de contacto sea relevante.
Formas de Producto
| Forma | Espesor/Tamaño Típico | Comportamiento de Resistencia | Temple Común | Notas |
|---|---|---|---|---|
| Chapa | 0.5–6 mm | Uniforme a lo largo del espesor hasta calibres moderados | O, H1x, T6, T73 | Común para paneles ligeros y pieles aeroespaciales; conformabilidad limitada en T6 |
| Placa | 6–200+ mm | La resistencia puede disminuir con el aumento del espesor debido a límites de temple | O, T6, T651, T73 | La placa gruesa requiere temple controlado y a menudo T73 para piezas críticas contra corrosión |
| Extrusión | Espesores variables de pared | Propiedades direccionales; la resistencia depende del tratamiento térmico | O, T6, T651 | Perfiles complejos posibles pero la sensibilidad al temple limita secciones muy grandes |
| Tubo | Pared de 0.5–20 mm | Buena resistencia longitudinal; los extremos y uniones requieren tratamiento térmico cuidadoso | O, T6 | Usado como tubería estructural de alta resistencia tras tratamiento térmico adecuado |
| Barra/Tvarilla | 6–200 mm diámetro | Homogénea si se procesa y trata en solución correctamente | O, T6, T651 | Usada para piezas de fijación, sujetadores y componentes mecanizados |
Las diferencias en el procesamiento afectan sustancialmente las propiedades finales: la chapa y extrusiones delgadas son más fáciles de templar y envejecer para alcanzar la resistencia máxima, mientras que la placa gruesa y secciones grandes suelen requerir disipadores de calor especiales o sobreenvejecimiento para asegurar estabilidad dimensional y resistencia a la corrosión. Las aplicaciones varían según la forma: extrusiones para perfiles complejos, placa para componentes estructurales y barra para piezas mecanizadas de alta resistencia.
Grados Equivalentes
| Norma | Grado | Región | Notas |
|---|---|---|---|
| AA | 7015 | EE.UU. | Designación de la American Aluminum Association comúnmente usada en especificaciones aeroespaciales |
| EN AW | 7015 | Europa | Designación estándar europea EN, frecuentemente acompañada de sufijos de temple específicos |
| JIS | A7015 (aprox.) | Japón | Las normas japonesas pueden referir aleaciones similares Zn-Mg-Cu con códigos locales de temple |
| GB/T | 7015 (aprox.) | China | Equivalentes bajo norma china existen, pero la química y tolerancias pueden variar según laminador |
Las diferencias sutiles entre especificaciones regionales suelen referirse a niveles permitidos de impurezas, rangos exactos de Zn/Mg/Cu y adiciones permitidas de microaleaciones (Zr/Cr/Ti), además de límites mecánicos definidos para espesores específicos. Al sustituir un grado de otra región, los ingenieros deben comparar tablas químicas y mecánicas detalladas, prácticas de envejecimiento y requisitos de certificación, en lugar de basarse solo en la designación.
Resistencia a la Corrosión
La resistencia a la corrosión atmosférica del 7015 es moderada; en ambientes benignos la aleación tiene desempeño aceptable, pero en atmósferas marinas o con cloruros es más susceptible a corrosión por picaduras y corrosión intergranular que la mayoría de aleaciones de las series 5xxx o 6xxx. Medidas protectoras como anodizado, recubrimiento con aluminio puro, recubrimientos de conversión cromatada o uso de templados sobreenvejecidos (T73/T76) mejoran notablemente la durabilidad superficial.
El agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) es un factor crítico para el 7015 en servicio altamente estresado y corrosivo en templados duro-pico (T6/T651), pues la combinación de alta resistencia y ciertas condiciones de precipitados en los límites de grano favorecen la iniciación de SCC. Los templados sobreenvejecidos y el procesamiento termo-mecánico controlado reducen la susceptibilidad a SCC al agrandar o redistribuir precipitados y disminuir tensiones internas.
Las interacciones galvánicas son comunes en aleaciones de aluminio: 7015 es anódico respecto a aceros inoxidables y algunas aleaciones a base de cobre, por lo que se recomienda aislamiento o protección sacrificial en ensamblajes de metales mixtos. En comparación con las aleaciones endurecidas por trabajo de la serie 5xxx (p.ej., 5052), 7015 ofrece mayor resistencia, pero generalmente peor comportamiento a la corrosión salvo que esté protegido o sobreenvejecido adecuadamente.
Propiedades de Fabricación
Soldabilidad
Soldar 7015 es desafiante debido a su alto contenido de zinc/magnesio y su naturaleza de endurecimiento por precipitación; la soldadura por fusión (TIG/MIG) suele provocar pérdida de temple en la zona afectada por el calor (HAZ) y una zona suavizada que puede reducir la resistencia significativamente. Las prácticas recomendadas incluyen el uso de consumibles especializados con química compatible, aplicación de tratamiento en solución y envejecimiento post-soldadura cuando sea factible, o preferir uniones mecánicas y adhesivas para estructuras críticas. El riesgo de fisuración en caliente y porosidad aumenta en secciones gruesas y cuando hay contaminación o aporte térmico incorrecto.
Mecanizado
La mecanizabilidad del 7015 en estado recocido es buena a muy buena, con formación estable de viruta y fuerzas de corte favorables; en templados de pico la mecanizabilidad empeora y el desgaste de herramienta aumenta. Se recomienda uso de herramientas de carburo y montajes rígidos, con velocidades de corte moderadas a altas para acabado y velocidades más bajas para desbaste pesado. El acabado superficial y características críticas para fatiga deben mecanizarse en templados controlados para evitar daños residuales.
Conformabilidad
La conformación es más fácil en templados O y algunos H1x donde la ductilidad es elevada y los radios de curvatura pueden ser reducidos; en condición T6 con alto envejecimiento la conformabilidad es pobre y el rebote elástico significativo. Los radios mínimos recomendados típicos para curvaturas en condición T6 son 2–4× espesor para dobleces simples, con radios menores posibles en templados O o H14; para formas complejas se usan conformados en caliente o ciclos de tratamiento solución-envejecimiento antes del envejecimiento final. Los diseñadores deben planificar el conformado antes del tratamiento térmico final o usar tratamientos de estabilización post-formado para controlar deformaciones.
Comportamiento ante Tratamiento Térmico
7015 es una aleación tratable térmicamente que responde fuertemente al tratamiento en solución seguido de enfriamiento rápido y envejecimiento artificial. Las temperaturas típicas de tratamiento en solución oscilan entre unos 470–480 °C para disolver los principales elementos de aleación en una matriz sobresaturada; se requiere un enfriamiento rápido (templado en agua) para retener la solución sólida sobresaturada.
Los programas de envejecimiento artificial varían según las propiedades objetivo: T6 suele usar envejecimiento a baja temperatura (p.ej., 120–145 °C) durante varias horas para lograr la máxima resistencia, mientras que T73/T76 sobreenvejece usando temperaturas más altas o tiempos prolongados para agrandar precipitados y mejorar resistencia a corrosión/SCC. La transición entre templados requiere enfriado controlado, posible rectificado/estirado (T651) y control preciso del proceso para obtener propiedades mecánicas repetibles.
Para completitud, el comportamiento no tratable térmicamente es limitado ya que 7015 está principalmente diseñado para endurecimiento por precipitación; el endurecimiento por deformación puede aportar aumentos modestos de resistencia pero no iguala los beneficios del tratamiento en solución y envejecimiento. El recocido (O) ablanda completamente el material y se usa para conformado o mecanizado antes del tratamiento térmico final.
Desempeño a Alta Temperatura
A temperaturas elevadas 7015 muestra una reducción significativa en límite elástico y resistencia a la tracción, con desempeño estructural útil típicamente limitado a temperaturas por debajo de aproximadamente 120–150 °C. La resistencia a fluencia es limitada comparado con aleaciones para alta temperatura; cargas sostenidas a temperaturas elevadas aceleran el sobreenvejecimiento y crecimiento de precipitados, reduciendo tanto resistencia como vida a fatiga.
La oxidación del aluminio a estas temperaturas de servicio es generalmente auto-limitada por la formación de una capa de óxido protectora, pero ambientes químicamente agresivos o con cloruros pueden acelerar la corrosión tanto del material base como de recubrimientos protectores. La zona afectada por el calor en piezas soldadas es especialmente vulnerable a pérdida de resistencia y cambios microestructurales bajo exposición térmica posterior.
Aplicaciones
| Industria | Ejemplo de Componente | Razón de Uso del 7015 |
|---|---|---|
| Aeroespacial | Accesorios de fuselaje y alas, forjados estructurales | Alta resistencia específica y desempeño a fatiga tras templados adecuados |
| Marina | Miembros estructurales de alta resistencia, accesorios | Buena tolerancia a daños al estar sobreenvejecido y recubierto; ventajas peso-resistencia |
| Defensa | Componentes de blindaje, montajes para armamento | Alta resistencia y rigidez con densidad relativamente baja |
| Automotriz | Componentes de chasis de alto rendimiento | Reduce peso cuando la resistencia es clave y la fabricación en bajo volumen es factible |
| Electrónica | Marcos estructurales, disipadores térmicos (limitado) | Conductividad térmica adecuada y rigidez útil en ensamblajes compactos |
7015 se elige cuando los diseñadores necesitan una aleación que combine la resistencia específica de grado aeroespacial con un desempeño aceptable a fatiga y la capacidad de ajustarse mediante envejecimiento para favorecer resistencia o resistencia a la corrosión. Su complejidad y costo en el procesamiento suelen limitar su uso a aplicaciones donde estas propiedades justifiquen un control de fabricación más estricto.
Consejos para la Selección
Elija 7015 cuando el alto ratio resistencia-peso y el desempeño controlado a fatiga sean prioridades mayores que la facilidad de soldadura o la máxima resistencia a corrosión. Es apropiado para piezas aeroespaciales y estructurales de alto rendimiento donde se puedan aplicar procesamiento termo-mecánico y tratamientos térmicos post-soldadura.
En comparación con el aluminio comercialmente puro (p. ej., 1100), el 7015 sacrifica conductividad y conformabilidad a cambio de una resistencia y rigidez sustancialmente mayores, lo que lo hace inadecuado cuando la conductividad eléctrica o la conformabilidad extrema son requisitos primarios. En comparación con aleaciones endurecidas por trabajo como 3003 o 5052, el 7015 ofrece una resistencia mucho mayor, pero generalmente peor conformado en revenidos máximos y requiere control del envejecimiento; además, tiende a ser más sensible a la corrosión inducida por cloruros. Frente a aleaciones tratables térmicamente comunes como 6061 o 6063, el 7015 proporciona mayor resistencia máxima y rigidez, pero a menudo a un costo mayor, menor soldabilidad y mayor riesgo de corrosión bajo tensión (SCC); seleccione 7015 cuando esos márgenes extra de resistencia y las características frente a la fatiga sean decisivos a pesar de estos compromisos.
Resumen final
La aleación 7015 sigue siendo una solución de aluminio de alta resistencia relevante cuando se requieren resistencia específica y rendimiento frente a la fatiga de grado aeroespacial y cuando las rutas de fabricación pueden controlar el tratamiento térmico y la protección superficial. Su química y flexibilidad de temple permiten a los ingenieros ajustar la resistencia en función de la resistencia a la corrosión, convirtiéndola en un material especialista para aplicaciones estructurales exigentes.