Aluminio AlZnMgCu: Composición, Propiedades, Guía de Templado y Aplicaciones

Resumen Completo

Las aleaciones AlZnMgCu pertenecen a la serie 7xxx de aleaciones de aluminio, donde el zinc es el elemento principal de aleación y el magnesio y el cobre son elementos secundarios significativos. Estas aleaciones son tratables térmicamente y obtienen su resistencia principalmente mediante el endurecimiento por precipitación a través de tratamientos de solución, temple y envejecimiento artificial. Miembros típicos de alta resistencia de esta familia, como AA 7075, ofrecen algunas de las mejores relaciones resistencia-peso disponibles entre las aleaciones de aluminio laminadas, sacrificando a cambio la resistencia absoluta a la corrosión y la facilidad de soldadura comparadas con familias de menor resistencia. Se utilizan ampliamente en aeroespacial, defensa, artículos deportivos de alto rendimiento y ciertas aplicaciones estructurales automotrices donde la alta resistencia estática o a fatiga es un factor crítico de diseño.

Los elementos principales de aleación en sistemas Al–Zn–Mg–Cu son zinc (que promueve precipitados para endurecimiento por envejecimiento), magnesio (forma precipitados fortalecedores con el zinc) y cobre (incrementa la resistencia pero puede reducir la resistencia a la corrosión y aumentar la susceptibilidad a la grieta por corrosión bajo tensión, SCC). Se emplean adiciones menores como cromo y circonio para el refinamiento del grano y control de la recristalización, manteniendo la resistencia en productos sometidos a procesamiento termomecánico. Estas aleaciones se eligen en lugar de las series 6xxx o 5xxx cuando se prioriza la resistencia máxima y la tenacidad específica por unidad de masa, y sobre aceros inoxidables cuando se desea reducción de peso con rigidez y comportamiento a fatiga comparables. La selección suele estar determinada por un compromiso entre rendimiento mecánico (resistencia, rigidez, fatiga) y la necesidad de medidas de mitigación de corrosión como recubrimientos, revestimientos o envejecimiento excesivo.

Consideraciones de fabricación influyen fuertemente en la elección de un grado y temple específico de AlZnMgCu. La capacidad de tratamiento térmico, la disponibilidad en formas de producto (placa, chapa, perfiles extruidos) y la posibilidad de realizar tratamientos posteriores a soldadura o conformado determinan si un componente dado puede explotar todo el potencial de la aleación. La combinación de alta resistencia, maquinabilidad razonable y adaptabilidad a procesos estándar de unión y acabado del aluminio convierte a las aleaciones AlZnMgCu en una opción práctica para estructuras diseñadas donde la eficiencia de masa es crítica.

Los diseñadores también deben considerar restricciones ambientales y de ciclo de vida al especificar AlZnMgCu. Estrategias de protección anticorrosiva, susceptibilidad a la SCC bajo esfuerzos de tracción y tempers específicos, así como la sensibilidad de las propiedades al espesor y al historial térmico, son factores que influyen en la selección del material, ruta de fabricación y planes de mantenimiento en servicio. El resultado neto es una familia de aleaciones de alto rendimiento indispensable donde existe un objetivo de diseño sensible al peso y se implementan estrategias adecuadas de mitigación para la corrosión y soldabilidad.

Variantes de Temple

Temple	Nivel de Resistencia	Elongación	Conformabilidad	Soldabilidad	Notas
O	Bajo	Alta	Excelente	Excelente	Estado recocido completo; máxima ductilidad y conformabilidad
T4	Bajo–Medio	Media	Buena	Buena	Tratado en solución y envejecido naturalmente; condición intermedia
T6	Alto	Baja–Media	Regular	Regular–Mala	Tratado en solución y envejecido artificialmente para máxima resistencia
T73 / T76	Medio–Alto	Media	Mejorada	Mejor que T6	Envejecido en exceso para mejorar resistencia a SCC y tenacidad
T651	Alto	Baja–Media	Regular	Regular–Mala	T6 con alivio de tensiones mediante estirado o tratamiento compresivo
H112 / H116	Variable	Variable	Variable	Variable	Tempers controlados comercialmente para control parcial de propiedades
H14	Medio	Baja	Regular	Regular–Mala	Endurecido por deformación y parcialmente recocido; usado en extrusiones y chapas

El estado de temple influye de manera predominante en el desempeño mecánico, resistencia a la corrosión y comportamiento de conformado de las aleaciones AlZnMgCu. Los tempers de envejecimiento máximo como T6 maximizan límites elástico y resistencia a la tracción, pero reducen significativamente la ductilidad y dificultan el conformado y la soldadura sin restauración posterior al proceso.

El envejecimiento en exceso a T73/T76 reduce la fuerza impulsora para la grieta por corrosión bajo tensión y mejora la resistencia a la exfoliación y ataque intergranular a costa de una disminución medible en los límites elástico y resistencia última. Por tanto, la selección del temple es un equilibrio entre la resistencia máxima requerida y la durabilidad ambiental.

Composición Química

Elemento	Rango %	Notas
Si	≤ 0.40	Impureza; promueve fluidez en fundición y puede formar intermetálicos que reducen tenacidad
Fe	≤ 0.50	Impureza; forma intermetálicos frágiles que reducen ductilidad y resistencia a la corrosión
Mn	≤ 0.30	Modificador menor de estructura de grano; limitado en 7xxx para evitar intermetálicos dañinos
Mg	1.5 – 3.0	Contribuyente a la resistencia; forma precipitados MgZn2 con Zn durante el envejecimiento
Cu	0.5 – 2.5	Aumenta resistencia y tenacidad, pero eleva susceptibilidad a corrosión y SCC
Zn	3.5 – 8.0	Elemento principal de endurecimiento; mayor Zn incrementa resistencia máxima mediante precipitación
Cr	0.04 – 0.35	Controla recristalización y estructura de grano, mejora tenacidad y resistencia al crecimiento de grano
Ti	≤ 0.20	Refinador de grano durante solidificación y procesamiento termomecánico
Otros	Balanza Al + trazas	Aditivos traza y residuos (p. ej., Zr) usados para control de grano y modificación de textura

La química de la aleación Al–Zn–Mg–Cu está optimizada para promover la formación de zonas GP finas y precipitados MgZn2 (η′/η) durante el envejecimiento, que son los principales responsables del endurecimiento. El cobre modifica la secuencia de precipitación y contribuye a mayor resistencia máxima y tenacidad, pero también altera el comportamiento electroquímico e incrementa el potencial de corrosión localizada y SCC, salvo que se mitigue mediante selección de temple o revestimiento.

Elementos traza como cromo y circonio son microaleaciones intencionales utilizadas para fijar límites de grano y controlar la recristalización durante operaciones en caliente y ciclos térmicos. Es esencial controlar impurezas como hierro y silicio porque sus fases intermetálicas constituyen sitios de iniciación de grietas y corrosión localizada en tempers de alta resistencia.

Propiedades Mecánicas

Las aleaciones AlZnMgCu presentan un amplio rango de comportamiento mecánico dependiendo del temple, forma de producto y espesor. En temple T6 envejecido a pico, estas aleaciones muestran altas resistencias últimas y límites elásticos correspondientemente altos, con ductilidad típicamente en un rango de un solo dígito a bajo doble dígito en porcentaje. En estados recocidos o tratados en solución, la misma aleación presenta elongaciones mucho mayores y límites elásticos más bajos, permitiendo operaciones de conformado que serían imposibles en la condición T6.

El comportamiento a fatiga es generalmente excelente para AlZnMgCu cuando se fabrica con estructura de grano controlada y defectos superficiales mínimos, haciéndolo favorable para aplicaciones con carga cíclica. Sin embargo, la fatiga y tenacidad a fractura son sensibles a tensiones residuales de tracción y heterogeneidades microestructurales; el envejecimiento en exceso (T73/T76) puede mejorar la resistencia al crecimiento de grietas por fatiga a costa de una menor resistencia estática. Los efectos del espesor son pronunciados: secciones más gruesas suelen mostrar menor resistencia debido a tasas de temple más lentas y distribuciones de precipitados más gruesas, lo que requiere controles de proceso como medidas para inhibir el temple o ciclos de envejecimiento a medida.

La dureza sigue el comportamiento tensil, con estados envejecidos a pico mostrando valores de dureza sustancialmente superiores a los recocidos o envejecidos naturalmente. La entrada de calor por soldadura u operaciones localizadas a alta temperatura produce zonas blandas (zona afectada por el calor, ZAC) por disolución o coarsening de precipitados fortalecedores, lo que reduce localmente el límite elástico y la resistencia a fatiga, necesitando a menudo tratamiento térmico post-soldadura o adaptaciones en el diseño.

Propiedad	Estado Recocido/O	Temple Clave (ejemplo T6/T651)	Notas
Resistencia a la tracción	250 – 350 MPa	480 – 620 MPa	Amplio rango que depende de la variante de aleación y espesor; T6 cerca de valores máximos
Límite elástico	120 – 300 MPa	410 – 540 MPa	El límite elástico aumenta notablemente con el envejecimiento; la relación límite elástico/resistencia a la tracción varía según el temple
Alargamiento	12 – 20%	5 – 15%	La ductilidad se reduce en el envejecimiento máximo; el conformado es más fácil en estados O/T4
Dureza	60 – 95 HB	135 – 165 HB	La dureza corresponde a la densidad de precipitados y al temple; los valores medidos dependen de la escala

Propiedades Físicas

Propiedad	Valor	Notas
Densidad	2.78 – 2.82 g/cm³	Ligeramente inferior al acero; excelente eficiencia de masa para piezas estructurales
Rango de fusión	~480 – 635 °C	Intervalo sólido−líquido depende del contenido de zinc y cobre; evitar servicio cerca de la fusión eutéctica
Conductividad térmica	120 – 160 W/m·K	Menor que el aluminio puro pero aún alta en comparación con aceros; beneficios en diseño de caminos térmicos
Conductividad eléctrica	20 – 35 % IACS	Reducida respecto al aluminio puro debido a la aleación; espesor y temple tienen efecto pequeño
Calor específico	~870 – 910 J/kg·K	Valor aproximado cerca de temperatura ambiente para diseño de masa térmica
Coeficiente de dilatación térmica	23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Dilatación típica del aluminio; importante para diseño de uniones multimaterial

Las aleaciones AlZnMgCu mantienen muchas de las características físicas favorables del aluminio, especialmente baja densidad y conductividad térmica relativamente alta en comparación con materiales ferrosos. Estas propiedades las hacen atractivas en aplicaciones que requieren gestión térmica y elementos estructurales ligeros, aunque los diseñadores deben considerar la menor conductividad eléctrica respecto al aluminio puro al especificar para aplicaciones eléctricas.

La estabilidad térmica y las características de fusión establecen límites prácticos para la exposición térmica durante el proceso y el servicio. La microestructura endurecida por precipitación es sensible a la temperatura: la exposición prolongada por encima aproximadamente de un tercio a la mitad de la temperatura de fusión (en escala absoluta) produce ablandamiento y pérdida de integridad mecánica, lo cual es especialmente relevante para soldadura, brasado y servicio a altas temperaturas.

Formas de Producto

Forma	Espesor/Tamaño típico	Comportamiento Mecánico	Templados comunes	Notas
Chapa	0.4 – 6.0 mm	Se requiere buen control del espesor a través del grueso en chapas gruesas	T6, T651, T73	Común para skins y paneles estructurales; la sensibilidad al temple afecta secciones gruesas
Placa	6 – 200 mm	La resistencia puede disminuir con el espesor debido a enfriamiento más lento	T6, T651, T73	Las placas pesadas requieren templados y revenidos controlados para conservar propiedades
Extrusión	Perfiles complejos, varios espesores de pared	Microestructura extruida mejora con envejecimiento post-extrusión	T6, T73, H112	Usado para perfiles estructurales y accesorios de alta resistencia
Tubo	de pared delgada a gruesa	Soldadura y conformado afectan propiedades locales; alta presión en estado T6	T6, T73	Intercambiadores de calor y tuberías estructurales donde la relación resistencia-peso es crucial
Barra/varilla	diámetros hasta varios cientos de mm	Buena maquinabilidad; secciones grandes requieren procesamiento térmico	T6, O, T73	Utilizado para forjas, componentes mecanizados y accesorios aeroespaciales

Las rutas de procesamiento varían según la forma del producto: chapas y placas suelen estar tratadas en solución a escala productiva y luego se recogen y envejecen, mientras que las extrusiones requieren control cuidadoso de la velocidad de enfriamiento y a veces envejecimiento directo para lograr combinaciones deseadas de propiedades. El espesor de placa y su capacidad de enfriamiento son factores críticos en el diseño; cuando se requiere máxima uniformidad de temple, se pueden especificar secciones más delgadas o homogeneización post-proceso.

Las aplicaciones influyen en la forma de producto y temple elegido; por ejemplo, skins estructurales aeroespaciales usan chapa laminada en T6/T651 con recubrimiento o protección contra corrosión, mientras que elementos estructurales marinos suelen usar temple sobremadurado y tratamientos superficiales. Las consideraciones para mecanizado y control de distorsión también dependen de la forma del producto y selección de temple.

Grados Equivalentes

Norma	Grado	Región	Notas
AA	7075 / AlZnMgCu	EE.UU.	7075 es el representante comercial más común de las aleaciones Al–Zn–Mg–Cu de alta resistencia
EN AW	7075	Europa	EN AW-7075 corresponde al sistema europeo de numeración de aleaciones; química y templados similares
JIS	A7075	Japón	Designación japonesa para la familia 7075 con tolerancias específicas regionales de proceso
GB/T	7075	China	Norma china que cubre equivalentes y especificaciones de tratamiento térmico para 7075

Las diferencias sutiles entre normas surgen de tolerancias en elementos impurezas, rangos precisos de composición y los límites permitidos de propiedades mecánicas para cada temple. Para componentes críticos aeroespaciales o de seguridad, las especificaciones de compra referenciarán una norma y temple particular con requisitos de prueba y certificación para asegurar intercambiabilidad y desempeño reproducible.

Las prácticas regionales de tratamiento térmico y templados permitidos (por ejemplo la designación T651 vs T6511 vs T73) pueden imponer diferencias en control de tensiones residuales y objetivos de elongación aun para aleaciones de química nominalmente idéntica. Siempre verificar las referencias del plano con certificaciones del proveedor y reportes de ensayo.

Resistencia a la Corrosión

Las aleaciones AlZnMgCu muestran resistencia moderada a la corrosión general en ambientes atmosféricos, pero son más susceptibles a corrosión localizada (picaduras y exfoliación) y a agrietamiento por corrosión bajo tensión en comparación con aleaciones 5xxx y algunas 6xxx. La presencia de cobre y una alta relación Zn:Mg tienden a aumentar la heterogeneidad electroquímica y promover ataques localizados cuando se exponen a ambientes con cloruros, por lo que los recubrimientos protectores, revestimientos (Alclad) o medidas anódicas sacrificatorias son comunes en aplicaciones marítimas y costeras. El sobremadurado a T73/T76 o el revestimiento con capas de aluminio de alta pureza mejoran sustancialmente la resistencia a exfoliación y SCC, aunque reduce la resistencia máxima alcanzable.

La exposición marina exige mitigación cuidadosa: en agua de mar y zonas de salpicadura, las aleaciones AlZnMgCu de alta resistencia sin protección pueden perder rendimiento rápidamente debido a picaduras y SCC si están bajo esfuerzos de tracción. Las estrategias de diseño incluyen uso de recubrimientos sacrificatorios, protección catódica, selección de templados sobremadurados y evitar geometrías generadoras de grietas. Elementos de fijación y ensamblajes normalmente se aíslan de metales diferentes o usan herrajes resistentes a la corrosión para prevenir aceleración galvánica del ataque al aluminio.

El agrietamiento por corrosión bajo tensión es un modo de falla notable para templados de alta resistencia bajo esfuerzos sostenidos en ambientes con cloruros. La susceptibilidad se puede reducir bajando el límite elástico (sobremadurado), aplicando esfuerzos superficiales compresivos (disparado, shot peening) o modificando la química de la aleación. En comparación con aleaciones 6xxx (ej. 6061), las 7xxx tienen mayor resistencia pero requieren controles ambientales y consideraciones de diseño más rigurosos para evitar fallas por SCC.

Propiedades de Fabricación

Soldabilidad

La soldadura de aleaciones AlZnMgCu es complicada en templados máximos porque la energía térmica disuelve o agranda los precipitados endurecedores, produciendo una zona afectada por el calor (ZAC) suavizada con resistencia al límite elástico y a la fatiga considerablemente reducidas. Los métodos de soldadura por fusión como TIG y MIG son factibles para reparación y fabricación, pero el metal de soldadura y la ZAC suelen ser mucho más débiles que el material base en T6 a menos que se realicen tratamientos térmicos post-soldadura de solución y envejecimiento, lo cual es a menudo inviable para estructuras ensambladas. Aleaciones de aporte como 5356 o 4043 se usan comúnmente; sin embargo, 5356 (Al–Mg) ofrece mejor resistencia, y existen aportes formulados especialmente para 7xxx para minimizar diferencias galvánicas y de resistencia. El riesgo de fisuración en caliente aumenta en aleaciones con alto contenido de zinc, por lo que la preparación previa a la soldadura, diseño de juntas y control térmico son cruciales.

Maquinabilidad

La maquinabilidad de AlZnMgCu generalmente es buena comparada con aceros, con formación de virutas predecible y bajas temperaturas de corte, pero la alta resistencia y dureza de los templados envejecidos aumentan el desgaste de herramienta en comparación con aleaciones de aluminio más blandas. Se prefieren herramientas de carburo con geometría afilada y ángulos de filo positivos para gestionar la evacuación de viruta y reducir la formación de rebaba; las velocidades de corte son más altas que para aceros pero deben limitarse para evitar temperaturas superficiales excesivas que alteren el temple local. Para componentes aeroespaciales de tolerancias estrictas, es esencial contemplar alivio de tensiones y control de distorsión durante el mecanizado y acabado posterior para mantener estabilidad dimensional y desempeño mecánico.

Conformabilidad

El conformado en frío es más efectivo en estados de temple O, T4 o parcialmente recocidos, donde la ductilidad es suficiente para operaciones de plegado y embutición profunda, mientras que los estados T6 y H14 son menos conformables y presentan mayor susceptibilidad a fisuras durante dobleces severos. Los radios mínimos de curvatura dependen del estado de temple y el espesor; una regla conservadora para chapas en estado T6 es usar un radio interno mínimo de 1–2× espesor, mientras que estados más blandos pueden permitir radios cercanos o inferiores a 1× espesor, dependiendo de la herramienta y la sujeción del blank. Cuando se requieren formas complejas, se recomienda conformar en estados más blandos seguido de un tratamiento térmico controlado para restaurar la resistencia, o diseñar con dobladuras (hemming) y formación incremental para evitar fallos en la pieza.

Comportamiento del Tratamiento Térmico

Las aleaciones AlZnMgCu son aleaciones clásicamente tratables térmicamente; los pasos principales del procesamiento térmico incluyen el tratamiento de solución, el temple y el envejecimiento artificial. El tratamiento de solución se realiza típicamente cerca de 470–480 °C para disolver Zn y Mg solubles en una solución sólida sobresaturada, seguido de un temple rápido (en agua o polímero) para retener esa sobresaturación. El envejecimiento artificial (T6) se realiza a temperaturas alrededor de 120–160 °C durante períodos establecidos para precipitar finos precipitados tipo η′ y zonas GP que proporcionan dureza y resistencia máximas.

El envejecimiento natural (T4) puede proporcionar resistencia intermedia y es el punto de partida para algunas secuencias de fabricación, mientras que los tratamientos de sobreenvejecimiento (T7/T73/T76) endurecen intencionalmente los precipitados para reducir la susceptibilidad al agrietamiento por corrosión bajo tensión, mejorar la tenacidad a la fractura y la estabilidad dimensional. La designación T651 indica un temple T6 con alivio de tensiones controlado (estirado o tratamiento compresivo) después del temple, lo que mitiga distorsiones en componentes de precisión. El control del proceso de velocidad de temple es crítico; secciones gruesas que se enfrían lentamente pueden no alcanzar la misma sobresaturación y por lo tanto mostrar menor resistencia alcanzable.

El comportamiento no tratable térmicamente en estados H implica endurecimiento por deformación; sin embargo, la familia AlZnMgCu de alta resistencia generalmente se diseña alrededor del tratamiento térmico más que del endurecimiento por deformación para el desarrollo de la resistencia. El recocido restaura la ductilidad mediante recristalización y disolución de fases de fortalecimiento, permitiendo operaciones de conformado antes del revenido.

Comportamiento a Alta Temperatura

La resistencia a temperaturas elevadas de las aleaciones AlZnMgCu disminuye rápidamente con el aumento de la temperatura; se observa una pérdida significativa de resistencia a temperaturas superiores a ~100 °C, y el uso para aplicaciones de carga por encima de ~150 °C es generalmente limitado. Los precipitados responsables del endurecimiento se coarsifican o disuelven a temperaturas elevadas, conduciendo a un ablandamiento y una reducción en el límite elástico y la resistencia a la fatiga. La oxidación a temperaturas moderadas es mínima para el aluminio en comparación con los aceros, pero las películas de óxido protectoras no evitan la coarsificación microestructural.

Para componentes soldados, el comportamiento de la ZAT (zona afectada por el calor) a temperaturas elevadas es una preocupación principal: el sobreenvejecimiento local o disolución de precipitados de refuerzo provoca zonas blandas persistentes que pueden gobernar fallos en aplicaciones con ciclos térmicos elevados o susceptibles a fluencia. El diseño para exposiciones a altas temperaturas requiere la selección de aleaciones más estables térmicamente o la incorporación de barreras térmicas y intervalos frecuentes de inspección.

Aplicaciones

Industria	Componente de Ejemplo	Por qué se Usa AlZnMgCu
Aeroespacial	Revestimientos de alas, marcos de fuselaje, accesorios	Excepcional relación resistencia-peso y tenacidad a la fractura en miembros estructurales
Marina	Accesorios de casco de alta resistencia, mástiles	Alta resistencia estática con medidas de mitigación de corrosión; ahorro de peso crítico
Automotriz	Componentes de chasis de alto rendimiento, partes de suspensión	Reducción de peso y rigidez donde la eficiencia de masa mejora la dinámica
Defensa	Cubiertas de blindaje, cuerpos de misiles	Soluciones estructurales ligeras y de alta resistencia para eficiencia en carga útil
Deportes y Recreación	Estructuras de bicicletas de alta gama, equipo de escalada	Alta resistencia específica y resistencia a la fatiga para equipos de alto rendimiento

Las aleaciones AlZnMgCu siguen siendo el material preferido cuando el objetivo de diseño enfatiza la máxima eficiencia estructural por unidad de masa y cuando se pueden emplear prácticas controladas de fabricación y mitigación de corrosión. La familia de aleaciones soporta componentes críticos en diversas industrias donde las cargas estáticas y por fatiga dominan los requisitos de diseño.

Consejos para la Selección

Al elegir AlZnMgCu para un componente, priorícelo cuando la relación resistencia-peso y la resistencia a la fatiga sean requisitos primarios y cuando la fabricación pueda acomodar tratamiento térmico y protección anticorrosiva. Si la ductilidad máxima, la conductividad y la soldabilidad simple son prioridades, el aluminio comercialmente puro (por ejemplo, 1100) superará a AlZnMgCu en esos parámetros específicos a costa de la capacidad estructural.

En comparación con aleaciones endurecidas por deformación como 3003 o 5052, AlZnMgCu ofrece mucha mayor resistencia estática y a fatiga, pero normalmente requiere protección anticorrosiva más robusta y tiene menor conformabilidad en los estados de máxima resistencia. En comparación con aleaciones tratables térmicamente comunes como 6061 o 6063, AlZnMgCu generalmente proporciona mayor resistencia máxima y a menudo mejor desempeño a fatiga, pero puede ser más costosa, menos soldable sin tratamiento post-soldadura y más susceptible a la corrosión por tensión sin sobreenvejecimiento o medidas protectoras.

Use AlZnMgCu cuando la vida útil bajo carga cíclica, la rigidez por unidad de masa y la minimización del peso de la pieza compensen los costos adicionales de acabado y control de corrosión. Seleccione variantes sobreenvejecidas o revestidas para ambientes agresivos, y reserve los estados de temple pico para componentes donde la exposición corrosiva en servicio sea limitada o bien controlada.

Resumen Final

Las aleaciones AlZnMgCu combinan algunas de las mayores resistencias y características favorables a la fatiga disponibles entre las aleaciones de aluminio laminadas, haciéndolas indispensables para aplicaciones de ingeniería de alto rendimiento y críticas en peso. Su uso responsable requiere atención en la selección del temple, mitigación de corrosión y control de fabricación para lograr el rendimiento de la aleación sin comprometer la durabilidad en servicio.