Aleación de aluminio 2024: conozca sus propiedades y métodos de mecanizado

La aleación de aluminio 2024 es un metal ampliamente utilizado en la fabricación de piezas de aeronaves debido a su alta relación resistencia-peso. Su composición única es responsable de sus propiedades y contribuye a su versatilidad y amplias aplicaciones industriales.

Las aplicaciones exitosas de la aleación 2024 solo son posibles comprendiendo sus propiedades y procesos. Por eso analizaremos sus propiedades, procesos de mecanizado y aplicaciones.

¿Qué es la aleación de aluminio 2024?

La 2024 es un tipo de aleación de aluminio con propiedades excepcionales del aluminio 2024 debido a su composición química. Tiene cobre (4.3–4.5%) como su principal elemento de aleación y otros elementos como manganeso, magnesio, silicio, níquel, bismuto, plomo, zinc y cromo.

Elementos como el cobre mejoran su relación resistencia-peso y su maquinabilidad. Por lo tanto, la aleación de aluminio 2024 es ideal para fabricar piezas estructurales. La tabla a continuación muestra sus elementos de aleación y su composición porcentual.

Elemento de aleación	Composición porcentual en peso
Silicio	Máximo del 0.5% en peso
Hierro	Máximo 0.5%
Cobre	3.8% – 4.9%
Manganeso	0.3% – 0.9%
Magnesio	1.2% – 1.8%
Cromo	Máximo 0.1%
Zinc	Máximo 0.25%

Propiedades de la aleación de aluminio 2024

Las propiedades del aluminio 2024 se deben a su composición química y son divisibles en físicas, mecánicas y otras. Además, las propiedades varían según el temple térmico, lo que lleva a la necesidad de comprender el material para facilitar su uso.

Propiedades físicas

Las propiedades físicas del aluminio 2024 proporcionan información sobre su comportamiento e idoneidad para sus aplicaciones previstas. Las propiedades físicas del aluminio 2024 son:

• Densidad: La aleación de aluminio 2024 tiene una densidad de 2.78g/cm3. Esta es baja (ligeramente superior al aluminio puro 2.7g/cm3), lo que significa que el material puede proporcionar resistencia sin agregar peso.
• Conductividad térmica: Su conductividad térmica es de aproximadamente 120 W/(m·K). Como resultado, es importante en piezas que necesitan una disipación de calor más rápida, especialmente en motores de aeronaves.
• Conductividad eléctrica: La aleación de aluminio 2024 tiene una conductividad eléctrica del 30% IACS debido a la presencia de cobre, aunque no es tan conductora como su principal elemento de aleación (cobre).
• Coeficiente de expansión térmica (CTE): El aluminio 2024 tiene un CTE moderado (23.2 µm/m°C), lo que significa que su dimensión no cambia mucho con el aumento de la temperatura. Por lo tanto, los fabricantes pueden predecir la expansión y contracción del material y reducir el riesgo de fallo de la pieza debido al cambio de temperatura.
• Maquinabilidad: La aleación de aluminio 2024 es altamente maquinable, es decir, compatible con operaciones de mecanizado como corte, taladrado, torneado, etc. Además, tiene una alta trabajabilidad, lo que permite un corte y extrusión más fáciles. Su excelente trabajabilidad y maquinabilidad la convierten en un material valioso en la fabricación de chapa metálica aeroespacial y automotriz.

Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas de la aleación describen su respuesta a fuerzas o cargas mecánicas. Estas incluyen:

• Resistencia a la tracción: El aluminio 2024 tiene una resistencia a la tracción de 290 – 450 MPa (42,100 – 65,300 psi). Esto muestra que soporta una fuerza enorme durante el tirón o estiramiento antes de romperse. Además, lo hace aplicable en la fabricación de piezas con atributos portantes/estructurales.
• Límite elástico: Su límite elástico es de 195-415 MPa (28,300-60,000 psi). Esto significa que requiere mucho esfuerzo para sufrir una deformación plástica irreversible. Como resultado, es aplicable en la fabricación de piezas con aplicaciones estructurales.
• Dureza: Su dureza depende del temple térmico, que oscila entre 50HB y 120HB. Además, mide su resistencia a la deformación, abrasión y rayado y puede guiar a los fabricantes en las aplicaciones de la aleación de aluminio 2024.
• Resistencia a la fatiga: La aleación de aluminio 2024 tiene buena resistencia a la fatiga (138 MPa o 20,000 psi), calculada con 500,000,000 de ciclos de carga por debajo del punto de fluencia. Como resultado, una de las aplicaciones de la aleación de aluminio 2024 es fabricar piezas que puedan soportar cargas cíclicas o esfuerzos repetidos.
• Resistencia al cizallamiento: La resistencia al cizallamiento es una medida de la aleación de aluminio 2024 frente a esfuerzos cortantes o de corte. Tiene un valor de 283 MPa (41,000 psi), que es moderadamente resistente.

A continuación se presenta una tabla resumen de las propiedades del aluminio 2024 con diferencias según sus temples térmicos comunes:

Propiedad física	2024-T3	2024-T4	2024-T851
Densidad	2.78 g/cm3	2.78 g/cm3	2.78 g/cm3
Sólido (solidus)	502 °C	502 °C	502 °C
Líquido (liquidus)	638 °C	638 °C	638 °C
Temperatura de recocido	413 °C	413 °C	413 °C
Conductividad térmica	121 W/mK	121 W/mK	151 W/mK
Capacidad calorífica específica	0.875 KJ/Kg°C	0.875 KJ/Kg°C	0.875 KJ/Kg°C
Conductividad térmica	121 W/mK	121 W/mK	151 W/mK

Propiedad mecánica	2024-T3	2024-T4	2024-T851
Resistencia a la tracción	483 MPa	469 MPa	Más de 455 MPa
Límite elástico	345 MPa	324 MPa	Más de 400 MPa
Módulo de elasticidad	73.1 GPa	73.1 GPa	72.4 GPa
Dureza Brinell – peso de 500g, bola de 10 mm	120	120	128
Elongación a la rotura (probeta de 12.7 mm)	0.18	0.19	0.05
Resistencia al cizallamiento	283 GPa	283 MPa	296 GPa
Resistencia a la fatiga	138 MPa	138 MPa	117 MPa
Coeficiente de expansión térmica	23.2 µm/m°C	23.2 µm/m°C	23.2 µm/m°C

Métodos para procesar y fabricar la aleación de aluminio 2024

Las excelentes propiedades del aluminio 2024 lo convierten en un material industrial popular. A continuación se presentan varios métodos de procesamiento y fabricación de la aleación.

Aleación y fundición

La composición química de la aleación de aluminio 2024 es cobre, magnesio, manganeso y otros elementos como silicio y hierro al 0.3%.

El proceso de fabricación del aluminio 2024 comienza con la fundición. Los lingotes de aluminio y los elementos de aleación se funden en un horno, y la forma fundida se moldea en varias formas. El método de fundición puede ser fundición continua o fundición de lingotes, y la elección del método de fundición depende del requisito y la forma del producto final.

Tratamiento térmico

El temple térmico es un proceso que refuerza un metal o su aleación. Incluye procesos como:

• El tratamiento térmico en solución permite que los elementos de aleación se disuelvan en la matriz de aluminio y proporcionen una microestructura homogénea. Ocurre a alta temperatura (típicamente 480°C a 495°C) manteniendo la temperatura durante un tiempo predeterminado.
• El temple es un enfriamiento controlado y rápido de la aleación después del tratamiento térmico. Resulta en la congelación de la microestructura de la aleación y previene la formación de grandes precipitados.
• El envejecimiento es otro proceso al que se somete la aleación 2024, dando lugar a un temple diferente. Puede ser natural, como se ve en (T3) u ocurrir a una temperatura más baja (típicamente 120°C y 190°C). Esto conduce a la precipitación de partículas finas dentro de la matriz de aluminio y aumenta la resistencia y dureza de la aleación.
• El trabajo en frío implica dar forma a la aleación 2024 en frío utilizando técnicas como laminación, extrusión y estirado. Esto aumenta la resistencia de la aleación, y posteriormente puede someterse a técnicas de mecanizado como fresado y torneado.

Debido al temple térmico, la aleación de aluminio 2024 tiene propiedades mecánicas ligeramente diferentes. Cada temple tiene un designador, "Tx" donde x es un dígito de uno a cinco que codifica las propiedades de la aleación.

El primer dígito indica el método de tratamiento térmico, mientras que los dígitos del segundo al quinto indican cualidades de fabricación específicas. Por ejemplo, en el temple T42, el 4 denota tratamiento térmico en solución y envejecimiento natural, y el "2" denota que el comprador debe tratar térmicamente el metal por sí mismo.

Sin embargo, es confuso, los fabricantes deben hablar con expertos que conozcan las propiedades de la aleación. Los temples comunes de la aleación de aluminio 2024 incluyen:

2024-T3

El 2024-T3 se somete a un tratamiento térmico en solución a aproximadamente 4850C, trabajo en frío (o laminación en frío) y envejecimiento natural a temperatura ambiente. Tiene una resistencia a la tracción máxima de 400–430 MPa (58-62 ksi) y un límite elástico de 270–280 MPa (39-40 ksi). Su buena conformabilidad y resistencia lo hacen adecuado para fabricar piezas de formas complejas.

2024-T4

La aleación de temple T4 se somete a un tratamiento térmico en solución y envejecimiento natural a temperatura ambiente. Esto conduce a una mejor ductilidad y conformabilidad. Como resultado, son aplicables en la fabricación de piezas que requieren mejores capacidades de conformado sin reducir la resistencia.

2024-T6

Esta aleación se sometió a un tratamiento térmico en solución, luego a envejecimiento artificial a aproximadamente 190-205°C (375-400°F). Esto la convierte en el temple más resistente y duro. Como resultado, es adecuada para fabricar piezas donde la resistencia es crítica.

2024-T62

Esta aleación de aluminio 2024 T6 se sometió a un tratamiento térmico de estabilización después del envejecimiento artificial. Como resultado, tiene mejor resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión. Además, esto la hace adecuada para piezas utilizadas en entornos corrosivos.

2024-O

Esta aleación de aluminio 2024 no se sometió a temple térmico, sino a un recocido completo. Esto aumenta su conformabilidad pero reduce su resistencia en comparación con los otros temples, y tiene una resistencia a la tracción máxima de 140 – 210MPa y un límite elástico máximo de 97 MPa (14,000 psi). Es adecuada para fabricar piezas que requieren flexibilidad.

Trabajo en frío y mecanizado

Los métodos de trabajo en frío incluyen laminación, extrusión y estirado, aumentando la resistencia del aluminio 2024 y otras propiedades mecánicas. Además, pueden dar forma a la aleación en el diseño deseado. La aleación de aluminio 2024 también es altamente maquinable utilizando técnicas de mecanizado convencionales, como fresado, torneado y taladrado.

Soldadura

La aleación de aluminio 2024 también es susceptible a técnicas de soldadura como la soldadura TIG, la soldadura por puntos por resistencia y la soldadura por fricción-agitación. La soldadura del aluminio 2024 es crítica debido a su tendencia a sufrir microfisuras. Como resultado de su baja soldabilidad, el remachado y la unión adhesiva son técnicas de unión más comunes.

La aleación de aluminio 2024 en el mecanizado CNC

El mecanizado CNC es un proceso de fabricación sustractivo que implica el uso de una máquina controlada por computadora para eliminar parte de una pieza de trabajo según diseños y especificaciones predefinidos y formar el producto requerido. El mecanizado del aluminio 2024 es posible utilizando técnicas de fresado, torneado y taladrado.

El proceso CNC es adecuado para la creación de prototipos y la fabricación de piezas de aleación de aluminio 2024 debido a lo siguiente:

Alta precisión y exactitud

Las máquinas CNC son altamente precisas y exactas, lo que hace posible la adherencia al diseño. También significa que hay pocas o ninguna diferencia en diferentes lotes de productos. Como resultado, tienen una amplia aplicación en ensamblajes de productos debido a la capacidad de lograr tolerancias estrechas.

Acabado superficial

El mecanizado del aluminio 2024 produce un fino acabado superficial. Esto es perfecto para piezas que necesitan atributos estéticos o propiedades funcionales como baja fricción. Como resultado, se reduce la necesidad de otros procesos de acabado superficial, lo que reduce el costo posterior a la producción.

Versatilidad

El mecanizado CNC puede trabajar con diferentes tamaños y formas de la aleación. Además, una sola configuración puede acomodar muchas herramientas y permitirle cortar, tornear o fresar la aleación. En consecuencia, esto facilita la producción de diferentes piezas.

Automatización

Las máquinas CNC no dependen de la operación humana. Además de conducir a una producción sin errores, también hace que el proceso sea muy rápido, de ahí su amplia adopción en muchas industrias.

Beneficios de la aleación de aluminio 2024 en comparación con otras aleaciones

La aleación es un contendiente notable en varias industrias debido a sus ventajas. A continuación se presentan algunas ventajas de la aleación en comparación con otras.

Alta relación resistencia-peso

La aleación de aluminio 2024 tiene una relación resistencia-peso excepcional en comparación con el aluminio 6061 y la aleación 7075. Sin embargo, las aleaciones 6061 y 7075 tienen mejor resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión.

Buena resistencia a la fatiga

Su resistencia a la fatiga la hace adecuada para exponer piezas a cargas cíclicas repetidas. Esto la convierte en una mejor opción que la aleación de aluminio 6063, conocida por su excelente conformabilidad y resistencia a la corrosión pero baja resistencia a la fatiga.

Maquinabilidad

Tiene una mayor maquinabilidad que la aleación de aluminio 7075, ya que esta última es más dura. Como resultado, es más adecuada para el mecanizado de precisión. Además, es mejor que la aleación de aluminio 6063, cuya capacidad de extrusión solo la hace adecuada para perfiles y formas más simples.

Limitaciones de la aleación de aluminio 2024 en la producción

La aleación de aluminio 2024 también tiene sus desventajas, que incluyen.

Susceptibilidad al agrietamiento por corrosión bajo tensión

La aleación de aluminio 2024 es susceptible al agrietamiento por corrosión bajo tensión. Esto limita su uso en entornos hostiles a menos que esté galvanizada y recubierta. Esto es diferente de las aleaciones de aluminio 7075 y 6061 conocidas por su excepcional resistencia a la corrosión bajo tensión.

Menor soldabilidad

También tiene una soldabilidad limitada ya que es susceptible al agrietamiento, lo que puede comprometer la integridad de la junta soldada. Esto es diferente de las aleaciones de aluminio 6061 y 6063 con buena soldabilidad.

Conformabilidad limitada

La conformabilidad de la aleación de aluminio 2024 limita su uso para piezas complejas o de conformado profundo. En su lugar, es mejor utilizar aleaciones de aluminio 3003 y 5052, cuya excelente conformabilidad las hace aplicables en la fabricación de chapa metálica automotriz.

Aplicaciones de las piezas de aleación de aluminio 2024

Industria aeroespacial

La aleación de aluminio 2024 es el material principal en la industria aeroespacial debido a su excelente relación resistencia-peso y resistencia a la corrosión. Se aplica a componentes estructurales de aeronaves como revestimientos de alas, paneles de fuselaje y sujetadores/remaches.

Industria automotriz

Los sólidos atributos y el ligero peso del aluminio 2024 lo hacen aplicable en la industria automotriz ya que mejora la eficiencia del combustible y el rendimiento del vehículo. Es adecuado para fabricar componentes de suspensión como brazos de control y muñones y piezas de vehículos de alto rendimiento como muñones de dirección, husillos de rueda y ruedas.

Equipos deportivos

Los equipos deportivos también utilizan la aleación de aluminio 2024 para fabricar piezas duraderas, resistentes y resistentes a la corrosión como cuadros de bicicleta, bates de béisbol y equipos de escalada como mosquetones y poleas.

Aplicaciones marinas

La aleación 2024 puede funcionar bien en condiciones ambientales hostiles, especialmente después del galvanizado o revestimiento. Como resultado, es adecuada para fabricar piezas utilizadas en el entorno marino. Estas incluyen la construcción de embarcaciones para cascos y mástiles, accesorios de barcos, escaleras, barandillas y sujetadores.

Conclusión

El aluminio 2024 es ligero, y su resistencia lo convierte en un material crítico en la industria aeroespacial. El uso exitoso del material solo se logra comprendiendo sus propiedades.

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Preguntas frecuentes

¿Cuál es el rango de temperatura de funcionamiento del aluminio 2024?

El rango superior de temperatura operativa para la aleación de aluminio 2024 no se conoce directamente, ya que depende del tipo de temple con el que esté trabajando y de las aplicaciones industriales.

¿Es bueno el aluminio 2024 para la soldadura?

No, el aluminio 2024 puede sufrir microfisuras, lo que lleva a la pérdida de integridad estructural. Como resultado, no es bueno para la soldadura.

¿Qué tan resistente es el aluminio 2024?

El aluminio 2024 tiene una resistencia a la tracción de 290 – 450 MPa (42,100 – 65,300 psi).

¿Cuáles son los nombres comerciales comunes del aluminio 2024?

Los nombres comerciales comunes del aluminio 2024 incluyen:

• UNS A82024, UNS A82024, UNS A92024
• Al2024-O, Al2024-T4, Al2024-T3
• AA2024-T3,
• Alclad 2024-T3, Alclad 2024-T4/T351, Alclad 2024-T851 y Alclad 2024-O