Aluminio 7175: Composición, Propiedades, Guía de Temple y Aplicaciones
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Resumen Integral
7175 es una aleación de aluminio de alta resistencia perteneciente a la serie 7xxx, caracterizada principalmente por el zinc como elemento principal de aleación. Está diseñada principalmente para aplicaciones aeroespaciales y estructurales de alto rendimiento donde la relación resistencia-peso y la resistencia a la fatiga son críticas.
Las principales aleaciones incluyen zinc, magnesio y cobre, con adiciones rastreadas de cromo, titanio o circonio utilizadas para controlar la estructura de grano y la recristalización. Estos elementos producen una microestructura endurecida por precipitación; 7175 es una aleación tratable térmicamente que alcanza su resistencia mediante tratamiento térmico en solución, enfriamiento rápido y envejecimiento artificial para formar finos precipitados tipo η (MgZn2).
Las características clave de 7175 incluyen una resistencia estática muy alta y buen rendimiento a la fatiga para su clase, resistencia intrínseca a la corrosión de moderada a baja en comparación con aleaciones 5xxx/6xxx, soldabilidad limitada y formabilidad reducida en tratamientos máximos. Las industrias típicas incluyen estructuras primarias y secundarias aeroespaciales, equipos de defensa y herrajes altamente cargados donde la máxima eficiencia estructural es la prioridad. Los ingenieros eligen 7175 sobre otras aleaciones cuando la máxima resistencia a la tracción y límite elástico, y la resistencia al crecimiento de grietas por fatiga, son más importantes que la facilidad de unión, conformado o el menor costo del material.
Variantes de Tratamiento
| Tratamiento | Nivel de Resistencia | Elongación | Formabilidad | Soldabilidad | Notas |
|---|---|---|---|---|---|
| O | Bajo | Alta (20–30%) | Excelente | Excelente | Fully recolectado para conformado y alivio de tensiones |
| H112 | Moderado | Moderada (10–15%) | Buena | Regular | Endurecido por deformación, usado para conformado limitado y estabilización |
| T6 | Muy alto | Moderada (6–12%) | Limitada | Baja | Tratado térmicamente en solución y envejecido artificialmente para máxima resistencia |
| T651 | Muy alto | Moderada (6–12%) | Limitada | Baja | T6 con alivio de tensiones mediante estirado; común para chapa aeroespacial |
| T73 | Alta (pero menor que T6) | Mejorada (8–14%) | Moderada | Baja | Condición sobremadurada para mejorar resistencia a corrosión y grietas por esfuerzo (SCC) |
| T7651 | Alta | Moderada | Limitada | Baja | Pre-envejecimiento controlado y estabilización para mejor tenacidad |
El tratamiento térmico tiene un efecto primordial en el rendimiento del 7175: los tratamientos envejecidos al máximo (T6/T651) maximizan la resistencia a tracción y al límite elástico, pero reducen la ductilidad y formabilidad, además de aumentar la susceptibilidad a la fisuración por corrosión bajo tensión. Los tratamientos sobremadurados como T73 reducen intencionadamente la resistencia máxima para mejorar significativamente la resistencia a SCC y la tenacidad al impacto, creando un compromiso entre resistencia y durabilidad ambiental.
La selección del tratamiento en producción está guiada por las propiedades finales requeridas, operaciones subsecuentes de conformado o mecanizado, y el ambiente de servicio previsto; por ejemplo, la chapa que debe conservar alta resistencia estática con mínima tensión residual suele utilizar T651, mientras que componentes expuestos a ambientes corrosivos pueden especificarse con T73 o acabados tratados químicamente.
Composición Química
| Elemento | Rango % | Notas |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.10 | Impureza; minimiza intermetálicos y mejora limpieza de fundición |
| Fe | ≤ 0.15 | Impureza; exceso reduce tenacidad e incrementa inclusiones |
| Mn | ≤ 0.10 | Bajo; no es fortalecedor principal en aleaciones 7xxx |
| Mg | 2.0–2.9 | Se combina con Zn para formar precipitados fortalecedores MgZn2 |
| Cu | 1.2–2.0 | Aumenta resistencia y endurecimiento; puede reducir resistencia a corrosión |
| Zn | 6.0–7.5 | Elemento principal que aporta resistencia mediante precipitados Mg–Zn |
| Cr | 0.10–0.30 | Controla estructura de grano y recristalización, mejora tenacidad |
| Ti | ≤ 0.05 | Refinador de grano, utilizado en metalurgia de lingote y procesamiento de tocho |
| Otros (Zr, V, balance Al) | Trazas / Balance | Zr u otros microaleantes pueden estar presentes para estabilizar microestructura |
El sistema combinado Zn–Mg–Cu es responsable de la respuesta al endurecimiento por precipitación en 7175; el zinc y magnesio forman precipitados fase η que proporcionan el fortalecimiento principal, mientras que el cobre aumenta la resistencia y afecta la morfología de precipitados y el comportamiento electroquímico. El cromo y trazas de circonio o titanio inhiben el crecimiento del grano durante el procesamiento y controlan la recristalización, lo que es esencial para mantener tenacidad y resistencia a la fatiga en secciones gruesas.
Propiedades Mecánicas
7175 exhibe resistencias a tracción y límite elástico muy altas en tratamientos envejecidos al pico, con curvas de tracción que muestran un punto de cedencia pronunciado seguido de una elongación uniforme limitada. La aleación ofrece excelente resistencia a la fatiga y favorable resistencia a la iniciación de grietas cuando se produce con microestructura controlada y bajo contenido de inclusiones, siendo muy adecuada para componentes estructurales sujetos a cargas cíclicas.
La resistencia al límite elástico y la elongación dependen fuertemente del tratamiento; T6/T651 logra los valores más altos de límite elástico pero con menor ductilidad y tenacidad, mientras que T73 reduce algo el límite elástico pero mejora la tenacidad a la fractura y la resistencia a la fisuración por corrosión bajo tensión. La dureza sigue la misma tendencia que la resistencia, con condiciones envejecidas al máximo que muestran aumentos sustanciales en valores Brinell o Rockwell en relación con condiciones recocidas.
El espesor y la forma del producto influyen en las propiedades debido a diferencias en las velocidades de enfriamiento, tensiones residuales y estructura de grano; piezas gruesas tipo chapa y forjas pueden requerir procesamiento termomecánico especializado y ciclos de envejecimiento para obtener propiedades uniformes a través del espesor y limitar distorsiones o tensiones residuales inducidas por el temple.
| Propiedad | O/Recocido | Tratamiento Clave (T6 / T651) | Notas |
|---|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | ~240–320 MPa | ~540–590 MPa | Valores típicos de resistencia a tracción en aleaciones 7xxx grado aeroespacial |
| Límite elástico | ~120–220 MPa | ~470–520 MPa | El límite elástico aumenta marcadamente con el envejecimiento; rangos dependen de forma del producto |
| Elongación | 20–30% | 6–12% | La ductilidad se reduce en tratamientos de alta resistencia |
| Dureza (HB) | ~60–80 HB | ~150–165 HB | La dureza se correlaciona con el nivel de endurecimiento por precipitación |
Propiedades Físicas
| Propiedad | Valor | Notas |
|---|---|---|
| Densidad | 2.80–2.82 g/cm³ | Típica para aleaciones de aluminio de alta resistencia |
| Rango de fusión | ~477–635 °C | Sólido ~477–490 °C, líquido cercano a aluminio puro ~635 °C |
| Conductividad térmica | ~120–140 W/(m·K) | Inferior al aluminio puro debido a la aleación; aún alta respecto a aceros |
| Conductividad eléctrica | ~30–40 % IACS | Conductividad reducida respecto a Al de baja aleación por átomos en solución sólida |
| Calor específico | ~0.90 kJ/(kg·K) | ~900 J/(kg·K) a temperatura ambiente |
| Coeficiente de expansión térmica | ~23–24 µm/(m·K) | Coeficiente similar a otras aleaciones de aluminio; a considerar en uniones atornilladas |
A pesar de la alta aleación, 7175 mantiene buena conductividad térmica comparada con aceros, lo que permite capacidades moderadas de disipación térmica en algunas aplicaciones, aunque su rendimiento térmico es inferior al aluminio puro. La conductividad eléctrica se reduce por la dispersión de solutos; 7175 no se elige cuando la conducción eléctrica es un requisito principal. La combinación de densidad relativamente baja y alta resistencia produce una excelente relación resistencia-peso, que es el principal motivo para su selección en aplicaciones estructurales de alto rendimiento.
Formas del Producto
| Forma | Espesor/Tamaño Típico | Comportamiento de Resistencia | Temple Común | Notas |
|---|---|---|---|---|
| Chapa | 0.5–6 mm | Buen desempeño en calibres delgados; la formabilidad puede ser limitada | O, H112, T6 | Usado para estructuras secundarias; no es ideal para estampado severo en T6 |
| Placa | 6–150+ mm | La resistencia varía con el espesor debido a la sensibilidad al temple | T651, T73 | Placa estructural aeroespacial producida con temple y envejecido controlados |
| Extrusión | Limitado | Disponibilidad comercial limitada; la resistencia depende de la sección | T6, T73 (raro) | Las extrusiones 7xxx son menos comunes; requieren homogenización cuidadosa |
| Tubo | Variado | Alta resistencia posible en tubos estirados/procesados | T6, T651 (fabricado) | Usado para conexiones tubulares de alta carga; la soldadura y el unión son limitadas |
| Barra/Báculo | Diámetro hasta 200 mm | Buenas propiedades axiales si está correctamente tratado térmicamente | T6, T73 | Usado para forjas, componentes mecanizados y pasadores o conexiones de alta carga |
Las diferencias en el procesamiento modifican la microestructura alcanzable: la placa y la chapa se producen típicamente mediante laminado y requieren un control preciso del temple para evitar envejecimiento excesivo o zonas blandas, mientras que las forjas y barras pueden utilizar diferentes perfiles de homogeneización y solución para controlar el tamaño de grano. Las extrusiones y perfiles complejos son menos comunes para 7175 debido a su tendencia a fisuración en caliente y recristalización, haciendo que las aleaciones de la serie 6xxx sean preferibles cuando se requieren formas extruidas complejas.
Grados Equivalentes
| Norma | Grado | Región | Notas |
|---|---|---|---|
| AA | 7175 | USA | Designación de Aluminum Association para la química de aleación |
| EN AW | 7175 | Europa | EN AW-7175 usado en especificaciones europeas; el origen de procesamiento influye en tablas de propiedades |
| JIS | A7175 | Japón | Composición similar; JIS a menudo incluye controles de producción adicionales |
| GB/T | 2A7175 / 7175 | China | Normas chinas referencian rangos composicionales y mecánicos comparables con AA 7175 |
Las diferencias sutiles entre normas regionales suelen relacionarse con tolerancias de composición permitidas, temple especificado y procedimientos de pruebas de calificación en lugar de diferencias de química gruesa. Las rutas de fabricación (metalurgia de lingote vs. colada continua y homogenización de palanquillas) y prácticas nacionales de tratamiento térmico pueden impartir pequeñas diferencias en niveles de impurezas, control de estructura de grano y propiedades mecánicas típicas; los ingenieros deben especificar el desempeño mecánico y ambiental requerido en lugar de depender únicamente de nombres de grado nominales.
Resistencia a la Corrosión
En exposición atmosférica, 7175 muestra resistencia a la corrosión moderada pero rinde peor que aleaciones 5xxx y muchas 6xxx debido a su contenido más alto de cobre, que incrementa la actividad electroquímica. En ambientes limpios, pintados o protegidos de otro modo, el desempeño es aceptable para muchas aplicaciones estructurales, pero la aleación se beneficia del recubrimiento (alclad) o recubrimientos de conversión robustos cuando se espera exposición atmosférica prolongada.
Los ambientes marinos o de niebla salina aceleran la corrosión por picaduras e intergranular en aleaciones 7xxx de alta resistencia; el 7175 es susceptible a ataques localizados a menos que esté sobremaduro (T73) o tratado con recubrimientos protectores y sellantes. El diseño de tornillería y uniones debe minimizar fisuras y emplear protección sacrificatoria o materiales aislantes cuando hay metales disímiles presentes.
La corrosión por tensión (SCC) es un riesgo conocido para los temple de alta resistencia en aleaciones 7xxx, particularmente en presencia de tensiones residuales de tracción y medios corrosivos. El sobremadurado, el tratamiento térmico post-soldadura y el estricto control de acabados superficiales y químicas son estrategias comunes de mitigación. Las interacciones galvánicas con aceros o aleaciones con cobre son adversas; los diseñadores deben evitar el contacto directo con materiales más nobles o proporcionar aislamiento.
Propiedades de Fabricación
Soldabilidad
Soldar 7175 es complicado; la soldadura por fusión (TIG/MIG) típicamente resulta en una severa pérdida de resistencia en la zona afectada por el calor y alto riesgo de fisuración en caliente. Cuando la soldadura es inevitable, se pueden usar aleaciones de aporte especializadas y un control térmico estricto pre/post soldadura, pero las uniones remachadas, atornilladas o adhesivadas son preferidas para mantener la integridad estructural. El ablandamiento de la zona afectada frecuentemente requiere refuerzo mecánico local o tratamientos post-soldadura, difíciles de aplicar sin degradar otras propiedades.
Mecanizado
En temple máximo, 7175 mecaniza bien en comparación con muchos aceros debido a su baja densidad y buen comportamiento de fragmentación de viruta, pero el desgaste de herramienta se ve afectado por su alta dureza y trabajo en frío. Se recomienda el uso de herramientas de carburo, sujeciones rígidas y velocidades conservadoras con geometrías de filo positivo; el uso de refrigerante es importante para mantener estabilidad dimensional y reducir acumulación de filo. Los índices de mecanización son generalmente inferiores a las aleaciones de aluminio 2xxx pero competitivos con otras de la serie 7xxx.
Conformabilidad
El conformado es más efectivo en temple recocido (O) o endurecido por deformación (H); el embutido profundo y estampado complejo no son prácticos en T6/T651 sin un recocido previo o técnicas de conformado en caliente. Los radios de curvado deben aumentarse respecto a aleaciones más blandas, y el rebote es más pronunciado debido a mayores límites elásticos. El trabajo en frío aumenta aún más la resistencia y puede usarse para obtener propiedades mecánicas específicas cuando se combina con ciclos adecuados de envejecido.
Comportamiento del Tratamiento Térmico
El tratamiento térmico de solución para 7175 ocurre típicamente en el rango de 470–480 °C para disolver fases endurecedoras en solución sólida; el tiempo a temperatura y espesor de sección regulan la homogenización. Se requiere un enfriamiento rápido para retener solutos en solución sólida sobresaturada; tasas de enfriamiento insuficientes introducen precipitados gruesos y reducen la resistencia y tenacidad máximas después del envejecido.
El envejecido artificial para T6 se realiza comúnmente a ~120–140 °C durante duraciones ajustadas al tamaño de sección para producir una dispersión fina de precipitados de fase η y maximizar la resistencia. Los tratamientos de sobremadurado (T73) usan temperaturas de envejecido más elevadas o tiempos prolongados para coarsificar precipitados, sacrificando algo de resistencia para mejorar significativamente la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión y la tenacidad.
Las transiciones de temple T son sensibles al trabajo en frío previo, velocidad de enfriamiento y niveles de impurezas; el estirado controlado (para producir T651) reduce las tensiones residuales y mejora la estabilidad dimensional pero requiere parámetros estrictamente controlados para mantener las propiedades mecánicas deseadas. La estabilización post-tratamiento térmico y los planes de solución/envejecido son a menudo especificados para aplicaciones aeroespaciales críticas.
Desempeño a Alta Temperatura
7175 experimenta una pérdida significativa de resistencia con aumento de temperatura; temperaturas de servicio sobre ~120 °C degradan el endurecimiento por precipitación y reducen sustancialmente el límite elástico y la resistencia a la tracción. La resistencia a la fluencia a temperatura elevada es limitada comparada con aleaciones resistentes al calor; cargas prolongadas sobre 100–125 °C deben validarse para estabilidad dimensional y vida útil.
La oxidación no es un modo principal de falla a temperaturas típicas de servicio, pero la exposición térmica acelera el sobremadurado y cambia las distribuciones de precipitados, que pueden reducir la vida a fatiga y la resistencia al SCC. En estructuras soldadas, las zonas afectadas por el calor son particularmente vulnerables a la pérdida de resistencia y deben evitarse para servicios de carga a alta temperatura.
Aplicaciones
| Industria | Componente Ejemplo | Razón para Usar 7175 |
|---|---|---|
| Aeroespacial | Conexiones de fuselaje, conexiones tipo carry-through de ala | Resistencia específica excepcional y resistencia a fatiga para estructura primaria |
| Defensa | Forjas estructurales de alta carga y montajes de armas | Alta resistencia estática y tenacidad en casos de carga demandantes |
| Automotriz | Componentes de chasis para alto rendimiento (limitado) | Relación resistencia-peso para aplicaciones de rendimiento y competición |
| Marino | Soportes estructurales y conexiones (protegidos) | Buena relación resistencia-peso donde se aplican protecciones contra corrosión |
| Electrónica | Estructuras de bastidor | Alto módulo y rigidez para bastidores ligeros (con roles térmicos limitados) |
7175 se selecciona cuando la eficiencia estructural, la vida a fatiga y la tenacidad a fractura a altas tensiones estáticas son los requisitos principales; su uso se concentra en aeroespacial y defensa donde el costo del material se justifica por el desempeño. Los acabados protectores y el diseño conservador contra SCC son prácticas estándares cuando la aleación se usa fuera de ambientes controlados.
Consejos para la Selección
Use 7175 cuando la máxima resistencia y resistencia a fatiga posibles sean los principales impulsores del diseño y cuando existan estrategias de fabricación y protección contra corrosión para manejar sus limitaciones en unión y ambiente. Especifique T6/T651 para la máxima resistencia estática y T73 u otros temple sobremadurados cuando la durabilidad ambiental y la resistencia a SCC sean críticas.
En comparación con el aluminio comercialmente puro (por ejemplo, 1100), el 7175 ofrece una resistencia y resistencia a la fatiga mucho mayores a cambio de una conductividad eléctrica y conformabilidad reducidas; elija 1100 cuando la conductividad y la conformabilidad para embutición profunda sean esenciales y las cargas sean bajas. En comparación con aleaciones trabajadas en frío como 3003 o 5052, el 7175 aporta una resistencia sustancialmente mayor, pero generalmente una conformabilidad peor y un comportamiento potencialmente peor frente a la corrosión en ambientes con cloruros; seleccione 5052/3003 para piezas no estructurales expuestas a ambientes marinos o con un intenso proceso de conformado. En comparación con aleaciones tratables térmicamente de la serie 6xxx como 6061/6063, el 7175 proporciona una mayor resistencia máxima y mejor rendimiento a la fatiga, pero a un costo superior y con una soldabilidad peor; prefiera 6061 cuando la aplicación requiera soldadura, economía y resistencia moderada.
Resumen Final
El 7175 sigue siendo un material clave para aplicaciones estructurales de alto rendimiento donde se requieren una relación resistencia-peso y resistencia a la fatiga de primer nivel, y donde los procesos de fabricación pueden adaptarse a su limitada soldabilidad y sensibilidad a la corrosión. Con la selección adecuada del temple, protección superficial y diseño cuidadoso en uniones y concentraciones de esfuerzo, el 7175 ofrece una combinación de prestaciones mecánicas difícil de igualar con grados de aluminio menos aleados o no tratables térmicamente.