¿Se ha preguntado alguna vez por qué las aleaciones de aluminio se utilizan en todo tipo de productos, desde aviones hasta utensilios de cocina? Este artículo explora las versátiles aplicaciones y avances de las aleaciones de aluminio, destacando sus propiedades únicas como la alta resistencia, el bajo peso y la excelente resistencia a la corrosión. Al comprender los elementos y procesos clave que hay detrás de las aleaciones de aluminio, comprenderá mejor el papel fundamental que desempeñan en sectores como el aeroespacial, la automoción y la construcción. Sumérjase y descubra cómo estos materiales dan forma a nuestro mundo moderno.
Aleación de aluminio es un término general para las aleaciones basadas en el aluminio. Los principales elementos de aleación incluyen cobre, silicio, magnesio, zinc y manganeso, mientras que los elementos de aleación menores pueden incluir níquel, hierro, titanio, cromo, litio, entre otros.
La aleación de aluminio es la categoría de materiales estructurales metálicos no férreos más utilizada en aplicaciones industriales. Se ha aplicado ampliamente en diversos campos como la aviación, la industria aeroespacial, la automoción, la fabricación de maquinaria, la construcción naval y la industria química.
La aleación de aluminio tiene una densidad baja pero una resistencia relativamente alta, cercana o superior a la del acero de alta calidad. Tiene buena plasticidad y puede transformarse en diversos perfiles.
Además, tiene una excelente conductividad eléctrica, conductividad térmica y resistencia a la corrosión. Como resultado, la aleación de aluminio se utiliza ampliamente en la industria y su uso es sólo superado por el acero.
La aleación de aluminio es muy común en nuestra vida cotidiana. Nuestras puertas, ventanas, camas, utensilios de cocina, vajillas, bicicletas, coches y mucho más contienen aleación de aluminio.
Introducción: La aleación de aluminio de alta resistencia tiene las características de peso ligero, alta resistencia, buen rendimiento de procesamiento y excelente rendimiento de soldadura. Se utiliza ampliamente en campos como la industria aeronáutica y la industria civil, especialmente en la industria aeronáutica, donde ocupa una posición muy importante como uno de los principales materiales estructurales.
En las últimas décadas, los estudiosos nacionales y extranjeros han llevado a cabo una amplia investigación sobre el proceso de tratamiento térmico y el rendimiento de las aleaciones de aluminio de alta resistencia, han logrado avances significativos y han promovido en gran medida la aplicación generalizada de estos materiales en diversos aspectos de la producción de la industria aeronáutica.
La aleación de aluminio de ultra alta resistencia se compone principalmente de aleaciones AI-Cu-Mg y A1-Zn-Mg-Cu. La primera tiene una resistencia estática ligeramente inferior a la segunda, pero su temperatura de uso es superior. La aleación de la serie AI-Cu-Mg es la primera aleación de refuerzo tratada térmicamente que se ha desarrollado. El desarrollo de la industria aeronáutica ha promovido la mejora de esta serie de aleaciones.
Las aleaciones 2014 y 2024 se desarrollaron en las décadas de 1920 y 1930, respectivamente, seguidas del desarrollo de la aleación 2618. El desarrollo de esta serie de aleaciones es más maduro, y se han formulado más de diez grados. Estas aleaciones se han utilizado ampliamente como materiales de aviación y otros materiales.
La aplicación de la aleación de aluminio de alta resistencia en conductores
En la comunidad internacional, los conductores de aleación de aluminio-magnesio-silicio de alta resistencia se utilizan desde hace más de 70 años. Debido a sus ventajas y a la mejora continua de la tecnología de producción, se ha vuelto más práctico. En Europa, representada por Francia, se utiliza ampliamente en líneas de transmisión, representando la gran mayoría de la longitud total de las líneas.
Más de 50% de las líneas de transmisión de Japón utilizan aleación de aluminio. Estados Unidos y Canadá también tienen una gran proporción. Incluso los países en desarrollo del sudeste asiático, como India, Indonesia y Filipinas, utilizan también aleaciones de aluminio para las líneas de transmisión.
Tendencia de desarrollo de la aleación de aluminio de ultra alta resistencia
La aleación de aluminio de ultra alta resistencia es un importante material estructural ligero de alta resistencia con amplias perspectivas de aplicación. En la actualidad, es necesario trabajar en los siguientes aspectos:
1. La microaleación compuesta es una dirección importante para el endurecimiento de las aleaciones de aluminio, y la investigación y el desarrollo deben llevarse a cabo en profundidad y de forma sistemática;
2. Mejorar la tecnología tradicional de preparación metalúrgica de lingotes y desarrollar procesos avanzados de preparación de conformado por pulverización para obtener una estructura de lingotes de alta calidad, etc.
La aleación de aluminio de ultra alta resistencia se está desarrollando hacia una alta resistencia específica, alto módulo específico, alta tolerancia al daño y resistencia a la corrosión. La fundición de purificación y la tecnología avanzada de producción de tochos son requisitos previos para el desarrollo, y la teoría del endurecimiento es la base.
Sobre la base de la teoría de refuerzo existente, en primer lugar, combinar la teoría micromecánica con la teoría de defectos de microcristales para mejorar el nivel de diseño de optimización de la composición de la aleación;
En segundo lugar, desarrollar una teoría de endurecimiento integral multinivel y multifase, utilizando la microaleación para explorar el potencial de las aleaciones, mejorar el rendimiento de las aleaciones y desarrollar nuevas tipos de aluminio aleaciones;
En tercer lugar, controlar con precisión la microestructura de las aleaciones para formar una teoría de control preciso de la estructura y el rendimiento y desarrollar aleaciones de aluminio de ultra alta resistencia con un mejor rendimiento integral.
La tendencia de desarrollo de la aleación de aluminio de alta resistencia.
La aleación de aluminio de alta resistencia es un importante material estructural ligero de alta resistencia con amplias perspectivas de aplicación. La aplicación del aluminio y sus aleaciones se ve dificultada por titanio y aleaciones de titanio y materiales compuestos, pero su posición como principal material estructural permanece básicamente inalterada.
Actualmente, la tendencia de desarrollo de las aleaciones de aluminio de alta resistencia se lleva a cabo en los siguientes aspectos:
(1) Microaleación compuesta, añadiendo trazas de elementos de transición y elementos de tierras raras, para desarrollar varias aleaciones nuevas de aluminio de alta resistencia que satisfagan diferentes necesidades.
(2) Mejorar la tecnología tradicional de preparación metalúrgica de lingotes, utilizando e investigando diversos métodos avanzados de tratamiento de modificación y purificación del fundido para mejorar la calidad metalúrgica de los lingotes.
(3) Estudio en profundidad del proceso de tratamiento térmico de aleaciones en estado de alta solubilidad, estudiando el mecanismo de refuerzo por precipitación del tratamiento de solución sólida de la aleación y la precipitación por envejecimiento multinivel y multifase en diferentes condiciones, mejorando la solubilidad sobresaturada de la matriz de la aleación, aumentando la fracción volumétrica de las fases precipitadas y optimizando el emparejamiento de MPt, GBP y PEZ para conseguir una alta resistencia, una alta tenacidad y una buena resistencia a la corrosión de la aleación.
Aplicación y problemas actuales de las aleaciones de aluminio resistentes al calor de solidificación rápida
El objetivo final del desarrollo de aleaciones de aluminio resistentes al calor de solidificación rápida es sustituir a las aleaciones de titanio en las piezas de los aviones. En los últimos años, los resultados de las investigaciones han demostrado que se han logrado avances significativos en este campo, y algunas propiedades de las aleaciones de aluminio resistentes al calor de solidificación rápida ya son comparables o incluso mejores que las de ciertas aleaciones de titanio.
Las aleaciones de aluminio resistentes al calor y de solidificación rápida se han utilizado con éxito para fabricar álabes y paletas de compresores, turbinas, disipadores de calor y otros componentes de motores de turbinas de gas. También pueden utilizarse para fabricar determinadas piezas de cohetes y naves espaciales.
Cuando se utilizan aleaciones de aluminio resistentes al calor de solidificación rápida para fabricar componentes aeronáuticos, el coste suele ser sólo de 30% a 50% del de las aleaciones de titanio, mientras que el peso del avión puede reducirse en unos 15%. Si se mejora aún más su resistencia al calor, se ampliará la gama de aplicaciones.
Futuras líneas de investigación sobre aleaciones de aluminio resistentes al calor
Las futuras líneas de investigación de las aleaciones de aluminio resistentes al calor de solidificación rápida se centrarán principalmente en los siguientes aspectos:
Desarrollo de nuevos procesos de solidificación rápida de bajo coste. En comparación con el proceso RS/PM, el proceso de solidificación rápida por deposición pulverizada simplifica el proceso de producción, evita el problema de la oxidación de la interfaz de las partículas de polvo originales y puede mejorar la tenacidad de la aleación al tiempo que reduce los costes de producción.
Por lo tanto, el proceso de solidificación rápida por deposición pulverizada debe mejorarse aún más para su aplicación práctica.
Seguir investigando el mecanismo de resistencia al calor de la aleación, incluido el papel de la matriz sobresaturada durante el proceso de calentamiento.
Estudiar las causas de la fragilización por temperatura en la aleación y encontrar soluciones para mejorar aún más su tenacidad.
Los materiales compuestos son materiales de gran vitalidad surgidos para satisfacer las necesidades del desarrollo científico moderno. Están compuestos por dos o más materiales con propiedades diferentes, combinados por diversos medios tecnológicos.
Los materiales compuestos pueden dividirse en tres categorías: Materiales compuestos a base de polímeros (PMC), materiales compuestos a base de metales (MMC) y materiales compuestos a base de cerámica (CMC).
La matriz de los materiales compuestos metálicos es principalmente de aluminio, níquel, magnesio, titanio, etc. El aluminio tiene muchas características en la fabricación de materiales compuestos, como un peso ligero, una densidad pequeña, una buena plasticidad, una tecnología de compuestos fácil de dominar y un procesamiento sencillo.
Además, los materiales compuestos a base de aluminio tienen una alta resistencia específica y rigidez específica, buen rendimiento a altas temperaturas, mejor resistencia a la fatiga y al desgaste, excelente rendimiento de amortiguación y bajo coeficiente de expansión térmica.
Al igual que otros materiales compuestos, puede combinar propiedades mecánicas y físicas específicas para satisfacer las necesidades de los productos. Por lo tanto, los materiales compuestos a base de aluminio se han convertido en uno de los materiales más utilizados e importantes entre los materiales compuestos a base de metal.
Principales tipos y aplicaciones.
Según los diferentes tipos de refuerzo, los compuestos a base de aluminio pueden dividirse en compuestos a base de aluminio reforzados con fibras y compuestos a base de aluminio reforzados con partículas.
Los compuestos a base de aluminio reforzado con fibra tienen una serie de propiedades excelentes, como una alta resistencia específica, un alto módulo específico, una buena estabilidad dimensional, etc., pero son caros.
En la actualidad, se utilizan principalmente en el campo aeroespacial como materiales estructurales para naves espaciales, satélites artificiales, estaciones espaciales, etc. Los compuestos a base de aluminio reforzados con partículas pueden utilizarse para fabricar materiales estructurales para satélites y aeronaves, componentes de aeronaves, sistemas ópticos de espejos metálicos y componentes de automoción;
Además, también pueden utilizarse para fabricar componentes de circuitos de microondas, piezas de precisión para sistemas de navegación inercial, propulsores de turbocompresores, dispositivos de embalaje electrónico, etc.
Los componentes básicos de los compuestos a base de aluminio son:
El aluminio y sus aleaciones son adecuados como matrices para los compuestos de matriz metálica. El refuerzo de los materiales compuestos a base de aluminio puede consistir en fibras continuas, fibras cortas o partículas de formas esféricas o irregulares.
En la actualidad, los materiales de refuerzo de partículas para los compuestos a base de aluminio incluyen SiC, AL2O3, BN, etcétera. También se han utilizado como partículas de refuerzo compuestos intermetálicos como Ni-Al, Fe-Al y Ti-Al.
Rendimiento de los materiales compuestos a base de aluminio.
1. Baja densidad.
2. Buena estabilidad dimensional.
Resistencia, módulo y plasticidad. La adición de refuerzos en materiales compuestos a base de aluminio aumenta su resistencia y módulo, al tiempo que disminuye su plasticidad.
4. Resistencia al desgaste.
La alta resistencia al desgaste es una de las características de los materiales compuestos a base de aluminio (reforzados con SiC o Al2O3).
5. Fatiga y fractura dureza.
En resistencia a la fatiga de los materiales compuestos a base de aluminio es generalmente superior a la del metal base, mientras que la tenacidad a la fractura disminuye. Los principales factores que afectan al comportamiento a la fatiga y a la fractura de los materiales compuestos a base de aluminio son el estado de unión de la interfaz entre el refuerzo y la matriz, las propiedades de la matriz y del propio refuerzo, y la distribución del refuerzo en la matriz.
6. Rendimiento térmico.
El desajuste de dilatación térmica entre el refuerzo y la matriz es difícil de evitar en cualquier material compuesto.
Para reducir eficazmente el coeficiente de dilatación térmica de los materiales compuestos y mantenerlos térmicamente emparejados con materiales semiconductores o sustratos cerámicos, a menudo se utilizan aleaciones de baja dilatación como matrices y se preparan materiales compuestos con altas fracciones de volumen de partículas de diferentes tamaños.
Tabla 1 Rendimiento de los materiales de refuerzo habituales
| Nombre de la fibra o partícula | Densidad | Resistencia a la tracción | Módulo elástico |
| ρ (g-cm-1) | σb/GPa | E/GPa | |
| Fibra de vidrio (alto módulo) | 2.5-2.6 | 3.8-4.6 | 93-108 |
| Fibra de carbono (alto módulo) | 1.75-1.95 | 2.3~2.9 | 275-304 |
| Fibra de boro | 2.5 | 2.8-3.1 | 383-392 |
| Fibra de aramida | 1.43-1.46 | 5 | 134 |
| Fibra de Al2O3 | 3.97 | 2.1 | 167 |
| Fibra SlC | 3.18 | 3.4 | 412 |
| SlC bigotes | 3.19 | 3-14 | 490 |
| Partículas de Al2O3 | 3.95 | 0,76 ( σ tc) | 400 |
| Aleación de matriz | SiCp (fracción de volumen) /% | E /GPa | σ0. 2 /MPa | σb /MPa | δ /% |
| 6061 | 0 15 20 25 30 40 | 68 96 103 113 120 144 | 275 400 413 427 434 448 | 310 455 496 517 551 586 | 12 7.5 5.5 4.5 3.0 2.0 |
| 2124 | 0 20 25 30 40 | 71 103 113 120 151 | 420 400 413 441 517 | 455 551 565 593 689 | 9 7.0 5.6 4.5 1.1 |
Aplicaciones de los materiales compuestos a base de aluminio.
(1) Aplicaciones de los materiales compuestos a base de aluminio en la industria del automóvil.
La investigación sobre la aplicación de materiales compuestos a base de aluminio en la industria automovilística comenzó muy pronto. En la década de 1980, Toyota preparó con éxito pistones de motor con materiales compuestos.
En Estados Unidos se desarrollaron materiales compuestos a base de aluminio reforzado con partículas para fabricar discos de freno para automóviles, que reducían el peso, mejoraban la resistencia al desgaste, reducían significativamente el ruido y tenían una rápida disipación del calor por fricción.
La empresa también utiliza materiales compuestos a base de aluminio reforzado con partículas para fabricar componentes de automoción como pistones de motor y cajas de cambios.
La caja de cambios fabricada con materiales compuestos presenta mejoras significativas en cuanto a solidez y resistencia al desgaste en comparación con la caja de cambios de aleación de aluminio. Los materiales compuestos de aleación de aluminio también pueden utilizarse para fabricar rotores de freno, pistones de freno, pastillas de freno, pinzas y otros componentes del sistema de frenado.
Los materiales compuestos a base de aluminio también pueden utilizarse para fabricar piezas de automoción como ejes de transmisión y balancines.
(2) Aplicaciones de los materiales compuestos a base de aluminio en la industria aeroespacial
El desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas ha planteado requisitos cada vez más exigentes en cuanto al rendimiento de los materiales, especialmente en el campo aeroespacial, donde es necesario fabricar aviones y satélites ligeros, flexibles y de alto rendimiento. Los materiales compuestos a base de aluminio pueden satisfacer estos requisitos.
Utilizando la inversión proceso de fundición para desarrollar materiales compuestos, el material puede sustituir a la aleación de titanio para fabricar soportes de lentes de cámara de gran diámetro y peso para aviones, reduciendo considerablemente su coste y peso y mejorando al mismo tiempo la conductividad térmica.
Al mismo tiempo, este material compuesto también puede utilizarse para fabricar soportes de apoyo para ruedas de reacción de satélites y bastidores direccionales.
(3) Aplicaciones en electrónica e instrumentos ópticos
Los materiales compuestos a base de aluminio, especialmente los materiales compuestos a base de aluminio reforzado, son adecuados para la fabricación de materiales de revestimiento de equipos electrónicos, disipadores de calor y otros componentes electrónicos debido a sus ventajas de bajo coeficiente de expansión térmica, baja densidad y buena conductividad térmica.
El coeficiente de expansión térmica de los materiales compuestos a base de aluminio reforzado con partículas puede igualar completamente el de los materiales de los dispositivos electrónicos, y también tienen una excelente conductividad eléctrica y térmica. En cuanto a la investigación sobre la aplicación de instrumentos de precisión e instrumentos ópticos, los materiales compuestos a base de aluminio se utilizan para fabricar componentes como el marco de soporte y el espejo secundario de los telescopios.
Además, los materiales compuestos a base de aluminio también pueden utilizarse para fabricar piezas de precisión para sistemas de navegación inercial, espejos de exploración giratorios, espejos de observación por infrarrojos, espejos láser, giroscopios láser, reflectores, bases de espejos y soportes de instrumentos ópticos para muchos instrumentos de precisión e instrumentos ópticos.
(4) Aplicación en equipamiento deportivo.
Los materiales compuestos a base de aluminio pueden utilizarse para fabricar raquetas de tenis, cañas de pescar, palos de golf y esquís como sustitutos de la madera y los materiales metálicos. Los engranajes de cadena de bicicleta fabricados con compuestos a base de aluminio reforzados con partículas son ligeros, rígidos y no se doblan ni deforman con facilidad, con mejores prestaciones que los engranajes de cadena de aleación de aluminio.
Compuestos a base de aluminio reforzados con partículas de carburo de silicio.
El material compuesto a base de aluminio más prometedor son los compuestos a base de aluminio reforzados con partículas de carburo de silicio.
Los materiales compuestos a base de aluminio reforzados con partículas de carburo de silicio son ampliamente reconocidos como uno de los más competitivos tipos de metal materiales compuestos de matriz.
Aunque sus propiedades mecánicas, especialmente la resistencia, no son comparables a las de los compuestos de fibra continua, presenta importantes ventajas de coste y es más fácil de preparar con métodos de preparación más flexibles y diversos. Además, puede procesarse secundariamente con equipos metalúrgicos tradicionales, lo que facilita su producción en serie.
En la década de 1990, tras el final de la Guerra Fría, debido a la reducción de la inversión en la industria de defensa por parte de varios países, incluso en campos de alta tecnología como el aeroespacial resultaba cada vez más difícil aceptar el elevado coste de los compuestos a base de aluminio reforzado con fibra.
Por ello, los materiales compuestos a base de aluminio reforzado con partículas han vuelto a recibir una atención generalizada. Especialmente en los últimos años, como componente portante clave, ha encontrado por fin su lugar en los aviones avanzados, y sus perspectivas de aplicación son cada vez más optimistas, lo que ha provocado un resurgimiento de los trabajos de investigación y desarrollo.
Tendencias y orientaciones de desarrollo
En la actualidad, el principal problema al que se enfrentan los compuestos a base de aluminio son los elevados costes de fabricación, especialmente en el caso de los compuestos a base de aluminio reforzados con fibra.
Con una mayor investigación sobre la teoría de la unión entre el refuerzo y la matriz, así como con el desarrollo continuo de refuerzos y procesos de preparación de menor coste, junto con el reciclaje de materiales de desecho, los compuestos a base de aluminio mantendrán un excelente rendimiento a la vez que serán más rentables, lo que hará que sus campos de aplicación sean cada vez más amplios.
Las direcciones de desarrollo de las aleaciones de aluminio son:
La adición de elementos apropiados de tierras raras a las aleaciones de aluminio puede tener un efecto refinador, entre otros:
Las tierras raras tienen un efecto refinador sobre las aleaciones de aluminio.
Las tierras raras tienen un efecto modificador sobre las aleaciones de aluminio y silicio.
Las aleaciones de aluminio de tierras raras son un material ideal para sustituir al cobre en la fabricación de alambres y cables. Los lingotes de aluminio producidos por las fundiciones chinas tienen un alto contenido en silicio debido a la influencia de los recursos naturales, y el silicio es la principal impureza perjudicial que afecta a la conductividad.
En el pasado, la conductividad eléctrica de los alambres de aluminio producidos en China a menudo no cumplía las normas de la Comisión Electrotécnica Internacional, lo que se convirtió en un problema de larga duración para la industria del alambre de aluminio.
Científicos chinos han resuelto este problema con la ayuda de tierras raras. Fueron los primeros del mundo en utilizar trazas de tierras raras para tratar el aluminio líquido, lo que permitió formar compuestos de silicio con precipitación de silicio en los límites de grano.
Además, el efecto de microaleación de las tierras raras supera los efectos nocivos del silicio, mejorando significativamente la conductividad. Las tierras raras también pueden refinar los granos y fortalecer la matriz, mejorando la resistencia mecánica y el rendimiento de procesamiento de alambres y cables.
Como resultado, la conductividad eléctrica de los alambres y cables de aluminio fabricados en China no sólo es ligeramente superior a las normas de la Comisión Electrotécnica Internacional, sino que la resistencia mecánica también ha aumentado en 20%, la resistencia a la corrosión se ha duplicado y la resistencia al desgaste ha aumentado unas 10 veces.
Esto ha cambiado por completo el retraso de la producción china de alambre y cable de aluminio, llevando los productos al nivel avanzado internacional.
En realidad, nuestro grupo consideró muy significativo y necesario el informe de investigación sobre las aleaciones de aluminio organizado por la universidad.
A través del autoestudio, hemos obtenido algunos conocimientos que no teníamos antes de realizar el informe del proyecto.
En primer lugar, aprendimos el método de autoaprendizaje que nos acompañará en la sociedad;
En segundo lugar, aprendimos a recopilar y organizar la información;
En tercer lugar, aprendimos qué es el trabajo en equipo y comprendimos la importancia de la unidad y la cooperación. Antes no lo entendíamos muy bien, pero gracias a estas actividades de aprendizaje, ahora lo sabemos mejor.
Al principio, no sabía lo que era una aleación de aluminio. Sólo sabía que se utilizaba en muchos lugares de la vida, pero desconocía sus propiedades y su clasificación. Ahora ya lo sé, y lo aprendí a través del autoestudio en el informe del proyecto.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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