Alumínio 2004: Composição, Propriedades, Guia de Têmpera e Aplicações

Visão Geral Abrangente

A liga 2004 é um membro da série 2xxx de ligas de alumínio, que são ligas com cobre, tratáveis termicamente, formuladas principalmente para alta resistência combinada com tenacidade razoável. A série 2xxx normalmente troca alguma resistência natural à corrosão por propriedades mecânicas superiores; a 2004 segue essa tendência como uma liga Al–Cu de resistência média a alta posicionada entre as séries 2xx e 7xx mais antigas em termos de capacidade.

Os principais elementos de liga na 2004 são o cobre como o principal endurecedor, com adições controladas de magnésio e manganês para auxiliar no endurecimento por precipitação e controle da estrutura do grão, e elementos traço como cromo e titânio para controle da recristalização. O mecanismo de endurecimento é principalmente o endurecimento por precipitação (endurecimento por envelhecimento) após tratamento térmico de solubilização e têmpera, embora uma limitada deformação a frio também possa modificar as propriedades em certos tratamentos.

Características-chave da 2004 incluem alta resistência específica, boa usinabilidade e resistência razoável à fadiga para aplicações estruturais. A resistência à corrosão é moderada e tipicamente inferior às ligas das séries 5xxx e 6xxx, a menos que protegida por revestimentos ou cobre; a soldabilidade é desafiadora comparada a ligas não tratáveis termicamente e requer seleções especiais de metal de adição e tratamentos pré/pós para evitar amolecimento da zona afetada pelo calor (ZAC). Os principais setores que utilizam a 2004 são aeroespacial para fixações e elementos estruturais, automobilismo e veículos de alto desempenho para componentes onde peso e resistência são críticos, além de aplicações gerais de engenharia que exigem alta usinabilidade.

Engenheiros escolhem a 2004 quando se necessita de uma razão resistência-peso superior às ligas comerciais comuns, mantendo boa resistência à fadiga e usinabilidade, e quando o projeto pode tolerar ou mitigar a redução na resistência à corrosão. É selecionada em vez das ligas da série 7xxx em situações onde a tenacidade à fratura e a capacidade de fabricação (usinagem/formação) são priorizadas em relação à máxima resistência absoluta de pico.

Variantes de Tratamento Térmico

Tratamento	Nível de Resistência	Alongamento	Formabilidade	Soldabilidade	Notas
O	Baixa	Alta (12–20%)	Excelente	Excelente	Recozido total, máxima ductilidade
H14	Médio-Baixo	Moderado (8–12%)	Boa	Regular	Levemente endurecido por deformação para resistência moderada
T3	Médio-Alto	Moderado (6–12%)	Regular	Ruim–Regular	Tratado termicamente por solubilização, deformado a frio, envelhecido naturalmente
T4	Médio	Moderado (8–14%)	Boa	Ruim–Regular	Tratado termicamente por solubilização e envelhecido naturalmente
T6	Alta	Baixo–Moderado (6–10%)	Limitada	Ruim	Tratado termicamente por solubilização e envelhecido artificialmente para máxima resistência
T7	Médio	Baixo–Moderado (6–12%)	Melhor que T6	Ruim	Superenvelhecido para melhor resistência à corrosão sob tensão (SCC) e estabilidade dimensional
T651	Alta	Baixo–Moderado (6–10%)	Limitada	Ruim	T6 com alívio de tensões por estiramento para minimizar tensões residuais

O tratamento térmico tem forte influência no equilíbrio entre resistência e ductilidade; tratamentos O e H maximizam a formabilidade, porém sacrificam a resistência à tração. Tratamentos de resistência máxima, como T6, produzem os mais altos limites de escoamento e resistência ultimate, mas reduzem o alongamento e a conformabilidade a frio, além de criar suscetibilidade ao amolecimento da zona da solda, salvo se procedimentos especiais forem adotados.

Composição Química

Elemento	Faixa %	Notas
Si	0,10–0,50	Silício mantido baixo para minimizar intermetálicos frágeis; melhora a fundição se presente
Fe	0,10–0,70	Ferro é impureza que forma intermetálicos e reduz a ductilidade
Mn	0,20–1,00	Manganês refina a estrutura do grão e melhora resistência e tenacidade
Mg	0,10–0,80	Magnésio auxilia na cinética de precipitação e resistência final com Cu
Cu	3,0–5,0	Elemento principal de endurecimento; aumenta a resistência e reduz a resistência à corrosão
Zn	0,05–0,30	Zinco mantido baixo para evitar comportamentos típicos da série 7xxx
Cr	0,05–0,35	Cromo auxilia no controle da recristalização e melhora resistência à corrosão sob tensão
Ti	0,01–0,20	Titânio usado como refinador de grão na metalurgia do lingote e produtos fundidos
Outros	Máx. 0,15 combinado	Inclui V, Zr e resíduos; rigorosamente controlados para manter propriedades

O cobre é o elemento de liga dominante na 2004 e controla a resposta ao endurecimento por precipitação através da formação de Al2Cu e fases metastáveis relacionadas durante o envelhecimento. Magnésio e manganês modificam a cinética de precipitação e a estrutura do grão para melhorar a tenacidade e reduzir a incidência de partículas intermetálicas grosseiras. Pequenas adições de cromo e titânio são usadas para controlar a recristalização e manter tamanhos de grão estáveis durante o processamento termomecânico.

Propriedades Mecânicas

No comportamento à tração, a 2004 apresenta forte dependência do tratamento: condições recozidas fornecem bom alongamento e resistência moderada adequados para conformação, enquanto tratamentos do tipo T6 produzem resistências últimas à tração muito mais altas e aumentos correspondentes na resistência ao escoamento. O limite de escoamento da 2004 tratada termicamente eleva-se substancialmente devido às distribuições finas de precipitados, e o material normalmente apresenta resposta de encruamento relativamente plana após o estabelecimento dos precipitados.

O alongamento varia de alta ductilidade no tratamento O a ductilidade modesta em tratamentos de envelhecimento no pico, influenciando os limites de conformação e a resistência à iniciação de trincas por fadiga. A dureza está correlacionada ao estado de envelhecimento: material recozido tem baixa dureza, enquanto T6 pode atingir níveis elevados típicos de ligas Al–Cu de grau aeroespacial, beneficiando a resistência ao desgaste, mas podendo dificultar a conformação a frio.

O desempenho à fadiga da 2004 é geralmente bom para sua classe de resistência, quando atenção cuidadosa é dada ao acabamento superficial e proteção anticorrosiva; cavidades de corrosão podem reduzir dramaticamente a vida à fadiga. Os efeitos da espessura são notáveis: seções mais espessas frequentemente apresentam microestruturas mais grosseiras após solidificação e requerem ciclos de tratamento térmico adaptados para obter propriedades uniformes ao longo da seção.

Propriedade	O/Recozido	Tratamento Principal (ex.: T6)	Notas
Resistência à Tração	180–280 MPa	350–480 MPa	Valores de pico T6 dependem do equilíbrio exato Cu/Mg e temperatura/tempo de envelhecimento
Limite de Escoamento	80–150 MPa	250–400 MPa	Aumento substancial a partir de solubilização e envelhecimento artificial
Alongamento	12–20%	6–10%	Compromisso entre resistência e ductilidade; dependente da espessura
Dureza	40–70 HB	110–150 HB	Valores Brinell aproximam faixas típicas para seções e tratamentos

Propriedades Físicas

Propriedade	Valor	Notas
Densidade	~2,78 g/cm³	Levemente maior que alumínio puro devido ao teor de cobre
Faixa de Fusão	~500–640 °C	Faixa sólido-líquido depende da composição e elementos de liga
Condutividade Térmica	~110–130 W/m·K	Inferior ao alumínio puro; teor de cobre reduz a condutividade
Condutividade Elétrica	~28–38 % IACS	Reduzida em comparação ao alumínio puro e série 1xxx
Calor Específico	~0,88 J/g·K (880 J/kg·K)	Típico para ligas de alumínio à temperatura ambiente
Coeficiente de Dilatação Térmica	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Coeficiente ligeiramente inferior ao de algumas ligas 5xxx

A adição de cobre reduz tanto a condutividade térmica quanto elétrica em relação aos graus de alumínio puro, mas a 2004 ainda mantém condutividade térmica suficientemente alta para muitas aplicações de dissipação de calor ou gerenciamento térmico. A densidade é maior que as ligas de baixo teor de liga em alumínio, porém ainda oferece uma relação resistência-peso favorável em comparação a muitas ligas ferrosas.

A dilatação térmica é típica de ligas de alumínio e deve ser considerada em montagens multi-materiais para evitar concentrações de tensões térmicas. A faixa de fusão orienta as janelas de tratamento térmico e as considerações para brasagem/soldagem; os tratamentos de solubilização são realizados abaixo do sólido para evitar fusão incipiente.

Formas do Produto

Forma	Espessura/Tamanho Típico	Comportamento de Resistência	Revenimentos Comuns	Observações
Chapa	0,2–6,0 mm	Boa uniformidade em bitolas finas após T4/T6	O, H14, T3, T4, T6	Amplamente usada para componentes conformados e usinados
Placa	6–150 mm	Requer ciclos de solução mais longos; risco de núcleo macio	O, T4, T6	Seções espessas precisam de tratamentos personalizados para evitar gradientes em toda a espessura
Extrusão	Perfis até grandes seções transversais	Moderadamente boa; resposta ao envelhecimento depende da seção	O, T4, T6	O projeto da matriz de extrusão é essencial para fluxo homogêneo; controle de grão é importante
Tubo	1–20 mm de parede	Comportamento semelhante à extrusão; variantes com trabalho a frio possíveis	O, T4, T6	Usado para tubos estruturais e conexões usinadas
Barra/vareta	Diâmetros até 200 mm	Alta usinabilidade; padrões influenciados pelo histórico do tarugo	O, T6	Produzido por extrusão ou fundição por resfriamento direto; usado para forjados e peças usinadas

Chapas e produtos finos são as formas mais comuns para 2004, permitindo tratamento térmico de solução eficaz e têmpera rápida para fixar soluções sólidas supersaturadas. Placas grossas e grandes extrusões exigem tempos de imersão mais longos e meios de têmpera controlados para evitar maciez no núcleo; isso complica o tratamento térmico e pode limitar as propriedades alcançáveis em seções muito espessas.

Barras e varetas destinadas à usinagem de alta precisão são frequentemente fornecidas em condições T6 ou T651 para garantir estabilidade dimensional e alta dureza para operações de ferramentaria. Tubos e extrusões são usados onde a rigidez do perfil e usinagem localizada são necessárias, e a seleção do revenimento equilibra a conformabilidade durante a fabricação com a resistência final requerida.

Graus Equivalentes

Norma	Grau	Região	Observações
AA	2004	EUA	Designação dentro da família Aluminum Association; baseada na composição
EN AW	—	Europa	Equivalentes diretos EN AW-2004 são raros; 2024 ou 2014 são frequentemente usados como substitutos funcionais
JIS	—	Japão	Não há equivalente direto amplamente adotado na JIS; usos similares são preenchidos por ligas da classe 2014/2024
GB/T	—	China	Podem existir ligas locais, mas 2004 não é padronizado universalmente em todas as regiões

Equivalentes cruzados diretos para o 2004 são incomuns porque normas nacionais tendem a favorecer ligas mais amplamente adotadas como 2014 e 2024 na família Al–Cu. Quando a química exata e o controle do processo são exigidos, engenheiros normalmente especificam a composição e revenimento AA2004 da Aluminum Association. Quando normas requerem números EN, JIS ou GB/T, 2014 ou 2024 são comumente referenciados como as alternativas funcionalmente mais próximas, com a ressalva de que as propriedades mecânicas e comportamento à corrosão diferirão.

Resistência à Corrosão

A resistência à corrosão atmosférica do 2004 é moderada, mas inferior às ligas das séries 5xxx e 6xxx; exposição não protegida a ambientes industriais agressivos ou marítimos pode levar à corrosão por pite e intergranular, especialmente em condições tratadas termicamente onde precipitados ricos em Cu localizam o ataque. O revestimento com alumínio puro ou aplicação de revestimentos orgânicos/inorgânicos robustos é prática comum para proteger componentes estruturais em serviços corrosivos.

Em ambientes marinhos, o 2004 deve ser usado com cautela, a menos que adequadamente protegido; zonas de imersão ou respingos aceleram a corrosão localizada e reduzem a vida à fadiga. Para exposição à água do mar, ligas da série 5xxx e revestimentos anódicos frequentemente superam o 2004. Em muitas aplicações aeroespaciais e marítimas onde ligas Al–Cu são necessárias para resistência, revestimentos sacrificial, anodização ou proteção catódica são empregados para estender a vida útil.

A trinca por corrosão sob tensão (SCC) é uma preocupação para ligas Al–Cu quando tensões de tração e espécies corrosivas se combinam, especialmente em condições de envelhecimento máximo. O sobreenvelhecimento (T7) pode melhorar a resistência à SCC às custas da resistência máxima, pelo crescimento dos precipitados e redução dos pares galvânicos locais. Em pares galvânicos, o 2004 é anódico ao aço inoxidável e catódico ao alumínio puro dependendo das condições locais; o pareamento cuidadoso de materiais e isolamento são necessários para evitar corrosão acelerada.

Comparado com outras famílias de ligas, o 2004 sacrifica resistência à corrosão para ganho de resistência em relação às séries 5xxx e 6xxx, ainda que ofereça superior resistência e usinabilidade em comparação com ligas das séries 1xxx e 3xxx. Portanto, a seleção deve considerar o tratamento superficial e ciclos de manutenção ao escolher o 2004 para uso prolongado em ambientes externos ou marítimos.

Propriedades de Fabricação

Soldabilidade

A soldagem do 2004 é desafiadora porque ligas Al–Cu são propensas a trincas a quente e amolecimento significativo na ZTA devido à dissolução de precipitados endurecedores. A soldagem por fusão (MIG/TIG) deve ser abordada com cautela; ligas de enchimento como 4043 ou enchimentos Al–Cu formulados especialmente podem ser usados dependendo do desempenho mecânico e corrosivo requerido, mas a resistência da junta frequentement é menor que o metal base e zonas macias na ZTA são comuns. Para estruturas críticas, colagem, fixadores mecânicos ou soldagem por fricção (FSW) são preferidos para preservar propriedades mecânicas e evitar perda significativa na região afetada pelo calor.

Usinabilidade

O 2004 tipicamente possui boa usinabilidade comparado com muitas outras ligas de alta resistência de alumínio devido à sua capacidade de formar cavacos curtos e controláveis e sua alta resistência que suporta corte estável. Ferramentas de carboneto com fixação rígida e geometrias de avanço positivo são recomendadas, com velocidades de corte moderadas a altas e refrigeração abundante para evitar acumulo de cavaco. Acabamentos superficiais após usinagem podem ser excelentes, e alívio de tensões pós-usinagem ou envelhecimento podem ser aplicados para restaurar ou estabilizar propriedades quando necessário.

Conformabilidade

A conformabilidade a frio do 2004 depende fortemente do revenimento: revenimentos O e H são adequados para operações de conformação complexas com raios de curvatura relativamente pequenos, enquanto T6 e outros revenimentos de pico têm conformabilidade a frio limitada e menor deformação permissível na dobra. Raios mínimos de dobra devem ser determinados experimentalmente, mas como regra geral, chapas finas em condição O podem ser dobradas em 1–2× a espessura sem trincas, enquanto T6 pode requerer raios de 3–6× a espessura ou pré-aquecimento/annealing para obter resultados semelhantes.

Comportamento ao Tratamento Térmico

Como uma liga Al–Cu tratável termicamente, o 2004 responde bem ao tratamento convencional de solução seguido de têmpera e envelhecimento artificial para desenvolver resistência máxima. Temperaturas típicas de solução situam-se na faixa de aproximadamente 495–510 °C com tempos escalonados conforme a espessura da seção para atingir homogeneização completa dos solutos sem fusão incipiente. A têmpera rápida em água ou têmperas poliméricas controladas é necessária para reter a supersaturação para o envelhecimento subsequente.

O envelhecimento artificial para condiçao T6 é comumente realizado a 160–190 °C por períodos de 6 a 24 horas, dependendo da seção e equilíbrio desejado de propriedades; o envelhecimento precipita fases metastáveis como θ' (Al2Cu) responsáveis pela resistência. O envelhecimento natural (T3/T4) produz dureza moderada em dias à temperatura ambiente, mas não atinge os níveis máximos do envelhecimento artificial. O sobreenvelhecimento (T7) a temperaturas mais altas ou tempos maiores promove o crescimento dos precipitados, reduzindo a resistência, mas melhorando a resistência à corrosão sob tensão e estabilidade dimensional.

Rotas de endurecimento sem tratamento térmico (encruamento) são limitadas no 2004 porque grande parte da resistência vem dos precipitados; entretanto, o trabalho a frio controlado antes ou após o tratamento de solução pode ajustar propriedades em alguns revenimentos. O recozimento total restaura a ductilidade e remove o encruamento anterior para viabilizar operações de conformação.

Desempenho em Alta Temperatura

O 2004 sofre perda significativa de resistência em temperaturas elevadas porque as fases precipitadas se dissolvem ou coarsam, reduzindo a efetividade do endurecimento por precipitação. Acima de ~150 °C, o serviço sustentado acelera o sobreenvelhecimento e leva a reduções mensuráveis nos limites de escoamento e resistência à tração; para serviço estrutural contínuo, uma temperatura máxima conservadora de uso geralmente é limitada a 100–120 °C para manter a maior parte das propriedades mecânicas.

A oxidação em ar é mínima devido à camada protetora de óxido de alumínio, mas exposição prolongada em temperaturas elevadas pode promover a formação de escama e acelerar o crescimento dos precipitados. Em zonas soldadas ou afetadas pelo calor, a combinação de ciclos térmicos e temperaturas elevadas de serviço pode exacerbar o amolecimento e reduzir a vida à fadiga. Para aplicações estruturais em alta temperatura, ligas de níquel ou aço e ligas especializadas de alumínio para alta temperatura são geralmente preferidas.

Aplicações

Indústria	Componente Exemplo	Por que o 2004 é Usado
Automotiva	Suportes estruturais, subchassis de performance	Alta relação resistência/peso e boa usinabilidade para peças de precisão
Marinha	Ferragens, elementos estruturais não imersos	Vantagem de resistência quando protegido/revestido; usado em zonas menos agressivas
Aeroespacial	Ferragens, componentes de trem de pouso (não críticos)	Alta resistência específica e resistência à fadiga após envelhecimento
Eletrônica	Dispositivos de dissipação térmica, suportes estruturais	Boa condutividade térmica combinada com usinabilidade

O 2004 é utilizado quando sua maior resistência e usinabilidade justificam proteção adicional contra corrosão ou quando os componentes estão protegidos dos ambientes mais agressivos. Seu equilíbrio entre propriedades mecânicas e facilidade de usinagem o torna atraente para componentes de precisão fabricados em volumes moderados.

Orientações para Seleção

Escolha o 2004 quando as prioridades de projeto enfatizam alta resistência combinada com excelente usinabilidade e quando a corrosão pode ser mitigada por revestimentos, laminação ou ambientes controlados. É especialmente adequado para peças estruturais usinadas e onde o endurecimento por tratamento térmico é necessário para atender aos requisitos de carga.

Comparado ao alumínio comercialmente puro (1100), o 2004 oferece resistência muito maior, porém com condutividade elétrica reduzida e menor conformabilidade geral. Comparado a ligas encruadas como 3003 ou 5052, o 2004 proporciona maior resistência à tração e limite de escoamento, em troca de menor resistência à corrosão e soldabilidade. Em relação a ligas comuns tratáveis termicamente como 6061 ou 6063, o 2004 frequentemente apresenta maior resistência máxima para certas condições de têmpera e melhor usinabilidade, tornando-se preferível quando a maior resistência e desempenho específico à fadiga são mais importantes que a superior resistência à corrosão ou equilíbrio entre corrosão e soldabilidade do alumínio–magnésio–silício.

Regra prática para seleção: use 2004 para peças usinadas ou envelhecidas de alta resistência onde revestimentos protetores são viáveis; utilize ligas 5xxx/6xxx para aplicações marítimas/arquitetônicas expostas onde a resistência à corrosão e soldabilidade predominam nos critérios de escolha.

Resumo Final

A liga 2004 permanece uma escolha relevante de engenharia onde sua resposta ao endurecimento por precipitação oferece uma favorável relação resistência/peso e excelente usinabilidade, desde que os projetistas abordem sua menor resistência à corrosão e limitações de soldagem com proteção superficial adequada e métodos de montagem apropriados.