El aluminio es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. Es el metal no ferroso con mayor producción y uso a nivel mundial, después del acero. Tiene una densidad baja, aproximadamente un tercio de la del acero. Dado que el aluminio puro es blando y de baja resistencia, al añadir una pequeña cantidad de elementos como magnesio, cobre, zinc, silicio y litio, se mejora el rendimiento de las aleaciones de aluminio. Las aleaciones de aluminio son los materiales estructurales de metales no ferrosos más utilizados en la industria debido a sus excelentes propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión. Se han utilizado ampliamente en las industrias de la construcción, aeroespacial, automotriz, de fabricación de maquinaria, naval y química.
Las aleaciones de aluminio tienen excelentes propiedades en mecánica y química:
① Aspectos mecánicos, reflejados principalmente en baja densidad, alta resistencia, alto módulo, etc. El aluminio tiene una densidad baja y es más liviano que otros metales, solo 1/4 del acero, por lo que es adecuado para su uso en campos con altos requisitos de ligereza;
② En cuanto a sus propiedades químicas, dado que la aleación de aluminio puede formar una densa película de óxido en su superficie en contacto con el aire, se protege de la oxidación profunda. Por lo tanto, presenta una excelente resistencia a la corrosión y una composición química muy estable.
③La aleación de aluminio posee buena plasticidad y puede procesarse en diversos perfiles. Posee una excelente conductividad eléctrica y térmica. Por lo tanto, se utiliza ampliamente en la industria, siendo el segundo en uso después del acero.
Actualmente, existen más de 250 aleaciones de aluminio con diferentes composiciones en la industria. Para facilitar la distinción, según las diferentes composiciones de las aleaciones, China adopta el método de clasificación de grado de cuatro dígitos, aceptado internacionalmente, para facilitar el marcado en el sitio de producción, la memoria y la gestión de cálculos. Las aleaciones de aluminio utilizadas en la industria militar incluyen principalmente aleaciones de aluminio-litio, las series 2XXX (A1-Cu-Mg) y 7XXX.
Demanda del mercado y tendencia de desarrollo de diversos materiales de aleación de aluminio.
Aleación de aluminio de la serie 2XXX
Las aleaciones de aluminio de la serie 2XXX (A1-Cu-Mg) presentan alta resistencia a la tracción, tenacidad y resistencia a la fatiga, además de buena resistencia al calor, propiedades de procesamiento y soldadura, y se utilizan ampliamente en las industrias aeroespacial, automotriz y armamentística. Los grados principales son 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12, etc. Se han desarrollado diversas aleaciones para mejorar la resistencia, la adaptación a la tenacidad y la tolerancia al daño, como las aleaciones 2024, 2124, 2524, 2324, etc.
Los modelos de equipos chinos se están desarrollando con miras a lograr ligereza, larga vida útil, alta confiabilidad y bajo costo, y tienen altos requisitos de tenacidad a la fractura, resistencia a la propagación de grietas y resistencia a la corrosión del material del revestimiento del fuselaje. Basándose en la placa gruesa de aleación de aluminio 2024-T351, países extranjeros han desarrollado aleaciones de aluminio 2324, 2624 y otras de alta tolerancia al daño para la superficie inferior del ala, con diferentes resistencias, tenacidad, resistencia a la fatiga y a la corrosión, y han logrado su instalación y aplicación. China está desarrollando aleaciones de aluminio de la serie 2XXX de alta tolerancia al daño. En el futuro, la microaleación compuesta será una importante dirección de desarrollo para las aleaciones de aluminio de alta resistencia de la serie Al-Cu-Mg.
Aleación de aluminio de la serie 4XXX
En la actualidad, las aleaciones eutécticas e hipoeutécticas de Al-Si se utilizan principalmente en pistones de automóviles en China. Sin embargo, debido a la continua mejora en el rendimiento de los motores, es difícil cumplir con estos requisitos. La aleación hipereutéctica de Al-Si presenta baja densidad, bajo coeficiente de expansión lineal, mayor resistencia al desgaste y estabilidad volumétrica, y es un material ideal para pistones en comparación con las aleaciones eutécticas de Al-Si. Los pistones de aleación hipereutéctica de Al-Si se han producido en masa en el extranjero y se han aplicado a camiones y automóviles, como la aleación A390 en Estados Unidos, las aleaciones AC9A y AC8A (ZL109) en Japón, y la aleación A390 en Australia. Sin embargo, actualmente hay pocos fabricantes en China que produzcan pistones de aleación hipereutéctica de Al-Si, y la mayoría de ellos dependen de las importaciones. Además, existe una gran brecha entre los materiales de aleación de aluminio para turbocompresores de automóviles y los de otros países. Los materiales de aleación de aluminio para turbocompresores de automóviles de alto rendimiento se producen principalmente en Japón y otros países. Por lo tanto, es imperativo desarrollar materiales de aleación de aluminio automotriz clave para pistones y impulsores de turbocompresores de alto rendimiento.
Aleaciones de aluminio de la serie 5XXX
Las aleaciones de Al-Mg, especialmente las de alto contenido de Mg, presentan una alta resistencia específica, buena soldabilidad y resistencia a la corrosión, y se convertirán en materiales altamente competitivos en el futuro en la industria aeroespacial, ferroviaria, oceánica y otros campos. Actualmente, las placas, perfiles y alambres de soldadura de aleaciones de Al-Mg para aplicaciones aeroespaciales, ferroviarias, oceánicas y otras dependen principalmente de las importaciones. El mercado de alambres de soldadura de alta gama está prácticamente monopolizado por ALCOA en Estados Unidos. Las aleaciones ER5183 y ER5356 dependen principalmente de las importaciones, y el volumen de importación representa aproximadamente el 70% de sus ventas. Las aleaciones de Al-Mg para barcos dependen principalmente de Rusia. Los lingotes convencionales de aleaciones con alto contenido de Mg presentan dendritas bien desarrolladas, segregación de fase eutéctica severa y bajo rendimiento de conformado. Los métodos de procesamiento actuales aún presentan muchos problemas, como bajo rendimiento, mala calidad aparente, largo proceso, calidad inestable y bajo rendimiento. La solidificación y el conformado subrápidos pueden inhibir la precipitación de Mg y, al mismo tiempo, regularse para obtener cristales equiaxiales finos y fases nanoprecipitadas, lo que mejora considerablemente el rendimiento y la uniformidad del material. Por lo tanto, se espera que el desarrollo de la tecnología de extrusión y laminación reológica continua de solidificación subrápida para aleaciones de Al-Mg de alto rendimiento satisfaga la demanda de aleaciones de Al-Mg de alta calidad.
Aleaciones de aluminio de la serie 6XXX
Los materiales de aleación de aluminio de la serie 6XXX son clave en los campos del transporte ferroviario, la automoción, la electrónica, etc. Desde la década de 1980, países y regiones desarrollados como Europa, Estados Unidos y Japón han desarrollado aleaciones de aluminio para automóviles, con grados registrados como 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 y 6082, y han formado un sistema de producción y aplicación relativamente completo para paneles de carrocería, extrusiones y forjados de automóviles. La investigación y el desarrollo para la industrialización de paneles de carrocería y forjados de aleación de aluminio de la serie 6XXX en China acaba de comenzar, y existe una clara brecha. El Ministerio de Industria y Tecnología de la Información de China ha propuesto que las láminas de aleación de aluminio para automóviles que se desarrollarán sean: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022, etc. La lámina de aleación de aluminio típica de la serie 6XXX tiene un alargamiento A50 de no menos del 25%, un valor r de no menos de 0,60, un límite elástico de estacionamiento a 60 d Rp0,2 de no menos de 140 N/mm2 y un incremento del límite elástico de endurecimiento de la pintura de no menos de 80 N/mm2. En respuesta a las diferentes necesidades, el desarrollo de la tecnología de diseño, preparación y procesamiento de las aleaciones de aluminio de la serie 6XXX se ha convertido en una tendencia inevitable de desarrollo.
Aleaciones de aluminio de la serie 7XXX
Las aleaciones de aluminio de la serie 7XXX presentan una buena resistencia a la corrosión bajo tensión y son las más resistentes entre las aleaciones de aluminio. Son reconocidas internacionalmente como materiales esenciales para la aviación. Recientemente, países extranjeros han desarrollado la aleación 7055 (Al₄Zn-2,05Mg-2,3Cu-0,16Zr), cuyo límite elástico supera los 620 MPa en el estado T77511. Se utiliza en el avión Boeing 777 y reduce el peso en 635 kg. Actualmente, China carece de tecnología sistemática de diseño, preparación y procesamiento de aleaciones para las aleaciones de aluminio de la serie 7XXX destinadas a la aviación, y algunos productos dependen completamente de las importaciones. Debido a la gran cantidad de elementos de aleación, el amplio rango de solidificación, la gran tensión de fundición y la fácil oxidación/segregación de los elementos de aleación, la baja calidad metalúrgica de los lingotes y el bajo rendimiento de conformado a temperatura ambiente, resulta crucial desarrollar nuevas aleaciones de aluminio de la serie 7XXX.
Aleación de aluminio y litio (Al-Li)
La aleación de aluminio-litio es el material ligero de mayor crecimiento en materiales de aviación en los últimos años. Se caracteriza por su baja densidad, alto módulo elástico, alta rigidez específica, buen comportamiento frente a la fatiga y resistencia a la corrosión. Tras sustituir las aleaciones de aluminio convencionales, se puede reducir la masa entre un 10 % y un 20 % y aumentar la rigidez entre un 15 % y un 20 %. A principios del siglo XXI, la empresa estadounidense ALCOA lanzó el "Plan ALCOA Aviation 20/20", con el objetivo de reducir el coste y el peso de las aleaciones de aluminio para aviación en un 20 % cada una en un plazo de 20 años. Constellium ha desarrollado las aleaciones de aluminio-litio 2050 y 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) con baja densidad, alta tenacidad y alta tolerancia al daño. Existen muy pocos grados de aleación de Al-Li desarrollados independientemente en China, y solo se ha utilizado la aleación 1420. La aleación de aluminio-litio utilizada en el avión de pasajeros C919 es suministrada por Alcoa. En el mercado nacional, solo se pueden producir aleaciones de grados limitados, como 1420, 2195, 2197 y 2A97, y los lingotes son planos con un grosor inferior a (310-400) × 1280 × 4000 mm y redondos con un diámetro inferior a 650 mm. Los lingotes planos (2B16) con un espesor superior a 60 mm y un ancho superior a 1500 mm, y los lingotes (2B16) con un diámetro superior a 1500 mm para aplicaciones aeronáuticas de alta gama, aún no se han producido industrialmente. Por lo tanto, es crucial desarrollar un nuevo diseño de aleaciones de aluminio-litio, la preparación de lingotes ultragrandes y la tecnología de procesamiento profundo.
Aleación de aluminio resistente al calor
Las aleaciones de aluminio resistentes al calor son materiales básicos clave en los campos aeroespacial, automotriz, transporte ferroviario, etc., ya que regulan elementos como Si, Fe, Ni, Ag y tierras raras para hacer que las aleaciones de aluminio sean resistentes a la oxidación y la fluencia a altas temperaturas. Las aleaciones de aluminio resistentes al calor tradicionales incluyen: 2519, 2618, 2219, 2D70, etc. Con el rápido desarrollo de las industrias aeroespacial y automotriz, se imponen mayores requisitos a las aleaciones de aluminio resistentes al calor. La nueva generación de aviones de combate tiene una alta velocidad de crucero y la temperatura de funcionamiento del revestimiento del fuselaje es superior a 150 °C. Actualmente, la temperatura de uso a largo plazo de aleaciones de aluminio resistentes al calor como 2618 y 2D70 es inferior a 150 °C. Es imperativo desarrollar nuevas aleaciones de aluminio resistentes al calor.
Aleación de Al-Sc con contenido ultra bajo de escandio (Sc)
La aleación Al-Sc posee excelentes propiedades como alta resistencia, buena plasticidad y resistencia a la corrosión, y se ha convertido en una nueva generación de materiales ligeros para la industria aeroespacial, naval, etc., después de la aleación Al-Li. La resistencia a la tracción de la aleación Al-Mg con trazas de escandio es un 30 % superior a la de la aleación 5083, y su límite elástico es más del doble. Su soldabilidad es comparable a la de las aleaciones convencionales de la serie 5XXX, las propiedades mecánicas de la zona afectada por el calor y la soldadura son aproximadamente iguales a las de la matriz, y su resistencia a la corrosión es comparable a la de la aleación 5083. La sustitución de las aleaciones de las series 5XXX o 6XXX en la fabricación de componentes aeroespaciales puede lograr una reducción significativa del peso, y también es un material superior para automóviles y vehículos ferroviarios. Rusia está a la vanguardia mundial en el desarrollo de aleaciones de aluminio con escandio y ha formado aleaciones de Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc y Al-Cu-Mg-Sc con un contenido de escandio de entre el 0,18 % y el 0,5 %. Para promover la aplicación de las aleaciones de aluminio y escandio en la industria aeroespacial y automotriz, el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información de China ha incluido las aleaciones de aluminio con escandio como uno de los nuevos materiales para su desarrollo prioritario. China es rica en recursos de escandio y ha construido una línea de producción de extracción de óxido de escandio de alta pureza, sentando las bases para el desarrollo de aleaciones de aluminio y escandio.
Aleación de aluminio estampada en caliente de 500 MPa para automóviles
En China, aún existe un vacío en el sector de las aleaciones de aluminio de alta resistencia para estampado en caliente. La combinación de nuevos materiales y el desarrollo de nuevos procesos de conformado es una solución eficaz para el conformado de piezas de automóviles de aleación de aluminio de alta resistencia. El enfoque en las aleaciones de la serie 7XXX, la exploración activa de las aleaciones 2XXX y el desarrollo de materiales de aleación de aluminio de 500 MPa para estampado en caliente ofrecen importantes perspectivas para la fabricación de piezas de automóviles con formas complejas.
Materiales compuestos a base de aluminio
Placa compuesta multicapa de aluminio y acero: La unión eficaz entre las cubiertas de aluminio y acero se ha convertido en uno de los obstáculos para el aligeramiento de las superestructuras de grandes buques. La unión de transición compuesta de aluminio y acero, utilizada para la soldadura entre cascos de aluminio y acero, ofrece una solución que sustituye al proceso tradicional de remachado. Honda ha desarrollado una tecnología de unión de acero y aluminio que se utilizará globalmente en la fabricación en serie de chasis de automóviles. Actualmente, las uniones compuestas de aluminio y acero que se utilizan en China se importan principalmente del extranjero, con un precio que alcanza los 4×10⁻¹ CNY/t. Con los futuros buques de gran tamaño, se requieren temperaturas de soldadura más altas, mayor tensión de apoyo e interfaces de unión más resistentes para las uniones de transición, por lo que se necesitan con urgencia uniones de aluminio y acero de alto rendimiento.
Hora de publicación: 08-mar-2025
