Conocimiento

El tratamiento térmico en su sentido más amplio se refiere a cualquiera de las operaciones de calentamiento y enfriamiento que se realizan con el propósito de cambiar las propiedades mecánicas, la estructura metalúrgica o el estado de tensión residual de un producto metálico.

Sin embargo, cuando el término se aplica a las aleaciones de aluminio, su uso se limita con frecuencia a las operaciones específicas empleadas para aumentar la resistencia y la dureza de las aleaciones forjadas y fundidas endurecibles por precipitación. Por lo general, se denominan aleaciones "tratables térmicamente" para distinguirlas de aquellas aleaciones en las que no se puede lograr un refuerzo significativo mediante calentamiento y enfriamiento. Estas últimas, generalmente denominadas aleaciones "no tratables térmicamente" dependen principalmente del trabajo en frío para aumentar la resistencia. El calentamiento para disminuir la resistencia y aumentar la ductilidad (recocido) se usa con aleaciones de ambos tipos; Las reacciones metalúrgicas pueden variar con el tipo de aleación y con el grado de ablandamiento deseado.

Un atributo esencial de un sistema de aleación de endurecimiento por precipitación es una solubilidad sólida de equilibrio dependiente de la temperatura caracterizada por una solubilidad creciente con el aumento de la temperatura. Los principales sistemas de aleación de aluminio con endurecimiento por precipitación incluyen:

• Sistemas de aluminio y cobre con refuerzo de CuAl2

• Sistemas de aluminio-cobre-magnesio (el magnesio intensifica la precipitación)

• Sistemas de aluminio-magnesio-silicio con refuerzo de Mg2Si

• Sistemas de aluminio-zinc-magnesio con refuerzo de MgZn2

• Sistemas de aluminio-zinc-magnesio-cobre

El requisito general para el fortalecimiento de la precipitación de soluciones sólidas sobresaturadas implica la formación de precipitados finamente dispersos durante el tratamiento térmico con envejecimiento (que puede incluir envejecimiento natural o envejecimiento artificial). El envejecimiento debe llevarse a cabo no solo por debajo de la temperatura de equilibrio del solvus, sino por debajo de una brecha de miscibilidad metaestable llamada línea de solvus de la zona de Guinier-Preston (GP).

Las aleaciones comerciales tratables con calor se basan, con pocas excepciones, en sistemas ternarios o cuaternarios con respecto a los solutos involucrados en el desarrollo de la resistencia por precipitación. Las aleaciones comerciales cuya resistencia y dureza se pueden aumentar significativamente mediante el tratamiento térmico incluyen las aleaciones forjadas de las series 2xxx, 6xxx y 7xxx y las aleaciones de fundición de las series 2xx.0, 3xx.0 y 7xx.0.

Algunos de estos contienen solo cobre, o cobre y silicio como la principal adición de aleación de refuerzo. Sin embargo, la mayoría de las aleaciones tratables con calor contienen combinaciones de magnesio con uno o más de los elementos, cobre, silicio y zinc. Característicamente, incluso pequeñas cantidades de magnesio en concierto con estos elementos aceleran y acentúan el endurecimiento por precipitación, mientras que las aleaciones en la serie 6xxx contienen silicio y magnesio aproximadamente en las proporciones requeridas para la formulación de siliciuro de magnesio (Mg2Si). Aunque no son tan fuertes como la mayoría de las aleaciones 2xxx y 7xxx, las aleaciones 6xxx tienen buena formabilidad, soldabilidad, maquinabilidad y resistencia a la corrosión, con resistencia media.

En las aleaciones forjadas tratables térmicamente, con algunas excepciones notables (2024, 2219 y 7178), tales elementos solutos están presentes en cantidades que están dentro de los límites de la solubilidad sólida mutua a temperaturas inferiores a la temperatura eutéctica (temperatura de fusión más baja).

En contraste, algunas de las aleaciones de fundición de la serie 2xx.0 y todas las aleaciones de la serie 3xx.0 contienen cantidades de elementos solubles que superan con creces los límites de solubilidad sólida. En estas aleaciones, la fase formada por la combinación de los elementos solubles en exceso con el aluminio nunca se disolverá, aunque las formas de las partículas no disueltas pueden cambiarse por solución parcial.

El tratamiento térmico para aumentar la resistencia de las aleaciones de aluminio es un proceso de tres pasos:

• Tratamiento térmico en solución: disolución de fases solubles.

• Enfriamiento: desarrollo de la sobresaturación

• Endurecimiento por envejecimiento: precipitación de átomos de soluto a temperatura ambiente (envejecimiento natural) o temperatura elevada (envejecimiento artificial o tratamiento térmico por precipitación).

Tratamiento térmico de soluciones

Para aprovechar la reacción de endurecimiento por precipitación, primero es necesario producir una solución sólida. El proceso por el cual se logra esto se llama tratamiento térmico en solución, y su objetivo es tomar en solución sólida las cantidades prácticas máximas de los elementos de endurecimiento solubles en la aleación. El proceso consiste en remojar la aleación a una temperatura suficientemente alta y durante un tiempo lo suficientemente largo como para lograr una solución sólida casi homogénea.

Precipitación Tratamiento térmico sin solución previa Tratamiento térmico

Ciertas aleaciones que son relativamente insensibles a la velocidad de enfriamiento durante el enfriamiento rápido pueden enfriarse por aire o por agua directamente desde una operación de trabajo en caliente final. En cualquier condición, estas aleaciones responden fuertemente al tratamiento térmico de precipitación. Esta práctica se usa ampliamente en la producción de formas delgadas extruidas de aleaciones 6061, 6063, 6463 y 7005.

Tras el tratamiento térmico por precipitación después del enfriamiento rápido en la prensa de extrusión, estas aleaciones desarrollan resistencias casi iguales a las obtenidas mediante la adición de una operación de tratamiento térmico con solución separada. Los cambios en las propiedades que ocurren durante el tratamiento de precipitación siguen los principios esbozados en la discusión de las aleaciones tratadas con solución térmica.

Temple

El enfriamiento es, en muchos sentidos, el paso más crítico en la secuencia de las operaciones de tratamiento térmico. El objetivo del enfriamiento es preservar la solución sólida formada a la temperatura de tratamiento térmico de la solución, enfriando rápidamente a una temperatura más baja, generalmente cerca de la temperatura ambiente.

En la mayoría de los casos, para evitar esos tipos de precipitación que son perjudiciales para las propiedades mecánicas o la resistencia a la corrosión, la solución sólida formada durante el tratamiento térmico de la solución debe enfriarse lo suficientemente rápido (y sin interrupción) para producir una solución sobresaturada a temperatura ambiente, la condición óptima. para endurecimiento por precipitación.

Sin embargo, la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión de ciertas aleaciones de aluminio, zinc y magnesio sin cobre mejora con el enfriamiento lento. Con mayor frecuencia, las piezas se enfrían por inmersión en agua fría o por tratamiento térmico continuo de láminas, placas o extrusiones en fábricas primarias de fabricación, por inundación progresiva o pulverización a alta velocidad con agua fría.

Endurecimiento por edad

Después del tratamiento con solución y el temple se logra el endurecimiento a temperatura ambiente (envejecimiento natural) o con un tratamiento térmico de precipitación (envejecimiento artificial). En algunas aleaciones, se produce una precipitación suficiente en unos pocos días a temperatura ambiente para producir productos estables con propiedades adecuadas para muchas aplicaciones. Estas aleaciones a veces son tratadas térmicamente por precipitación para proporcionar mayor resistencia y dureza en productos forjados o fundidos. Otras aleaciones con reacciones de precipitaciones lentas a temperatura ambiente siempre se tratan térmicamente con precipitación antes de usarse.

En algunas aleaciones, especialmente las de la serie 2xxx, el trabajo en frío o el material recién enfriado aumenta enormemente su respuesta al tratamiento térmico de precipitación posterior.

Envejecimiento natural. Los miembros más altamente aleados de la serie forjada 6xxx, las aleaciones que contienen cobre del grupo 7xxx, y todas las aleaciones 2xxx casi siempre son tratadas y enfriadas en solución. Para algunas de estas aleaciones, particularmente las aleaciones 2xxx, el endurecimiento por precipitación que resulta del envejecimiento natural solo produce temperamentos útiles (tipos T3 y T4) que se caracterizan por altas proporciones de resistencia a la tracción para producir resistencia y alta tenacidad a la fractura y resistencia a la fatiga. Para las aleaciones que se usan en estos ánimos, la sobresaturación relativamente alta de átomos y vacantes retenidos por el enfriamiento rápido provoca la formación rápida de zonas GP, y la resistencia aumenta rápidamente, alcanzando valores estables casi máximos en cuatro o cinco días. Las especificaciones de propiedad de tracción para productos en temperamentos de tipo T3 y T4 se basan en un tiempo de envejecimiento natural nominal de cuatro días. En las aleaciones para las cuales los temperamentos de tipo T3 o T4 son estándar, los cambios que ocurren en el envejecimiento natural posterior son de una magnitud relativamente menor, y los productos de estas combinaciones de aleación y templado se consideran esencialmente estables después de aproximadamente una semana.

En contraste con la condición relativamente estable alcanzada en unos pocos días por las aleaciones 2xxx que se usan en templos de tipo T3 o T4, las aleaciones 6xxx y en mayor grado las aleaciones 7xxx son considerablemente menos estables a temperatura ambiente y continúan exhibiendo cambios significativos en las propiedades mecánicas durante muchos años.

Los tratamientos térmicos de precipitación generalmente son procesos a baja temperatura y a largo plazo. Las temperaturas oscilan entre 115 y 190 ° C; los tiempos varían de 5 a 48 h.

La elección de los ciclos de tiempo-temperatura para el tratamiento térmico de precipitación debe recibir una cuidadosa consideración. Las partículas más grandes de precipitado resultan de tiempos más largos y temperaturas más altas; sin embargo, las partículas más grandes deben ser necesariamente menores en número con mayores distancias entre ellas.

El objetivo es seleccionar el ciclo que produce el tamaño óptimo de precipitado y el patrón de distribución. Desafortunadamente, el ciclo requerido para maximizar una propiedad, como la resistencia a la tracción, generalmente es diferente del requerido para maximizar otras, como el límite elástico y la resistencia a la corrosión. En consecuencia, los ciclos utilizados representan compromisos que proporcionan las mejores combinaciones de propiedades.

La producción de material en temperamentos de tipo T5 a T7 requiere tratamiento térmico por precipitación a temperaturas elevadas (envejecimiento artificial).

Las diferencias en tipo, fracción de volumen, tamaño y distribución de las partículas precipitadas gobiernan las propiedades, así como los cambios observados con el tiempo y la temperatura, y todos estos se ven afectados por el estado inicial de la estructura. La estructura inicial puede variar en productos forjados de no cristalizado a recristalizado y puede exhibir solo una modesta deformación por enfriamiento rápido o deformación adicional por el trabajo en frío después del tratamiento térmico con solución. Estas condiciones, así como el tiempo y la temperatura del tratamiento térmico de precipitación, afectan la estructura final y las propiedades mecánicas resultantes.

El tratamiento térmico con precipitación después del tratamiento térmico con solución y el enfriamiento produce temperamentos de tipo T6 y T7. Las aleaciones en temple de tipo T6 generalmente tienen la mayor resistencia práctica sin sacrificar los niveles mínimos de otras propiedades y características que la experiencia considera satisfactorias y útiles para aplicaciones de ingeniería. Las aleaciones en los temperamentos T7 están sobrepasadas, lo que significa que se ha sacrificado o "cambiado" algún grado de resistencia para mejorar una o más características. Se puede sacrificar la resistencia para mejorar la estabilidad dimensional, particularmente en productos destinados al servicio a temperaturas elevadas, o para reducir las tensiones residuales con el fin de reducir la deformación o distorsión en el mecanizado. Los temperamentos de tipo T7 se especifican con frecuencia para piezas de motor fundidas o forjadas. Las temperaturas de tratamiento térmico de precipitación utilizadas para producir estos temperamentos generalmente son más altas que las utilizadas para producir temperamentos de tipo T6 en las mismas aleaciones.

Se han desarrollado dos grupos importantes de temperamentos de tipo T7, los tipos T73 y T76, para las aleaciones forjadas de la serie 7xxx, que contienen más de aproximadamente 1,25% de cobre. Estos temperamentos están destinados a mejorar la resistencia a la corrosión por exfoliación y al agrietamiento por corrosión bajo tensión, pero como resultado del exceso, también aumentan la resistencia a la fractura y, en algunas condiciones, reducen las tasas de propagación de grietas por fatiga.