Propiedades mecánicas y conductividad eléctrica de la aleación de aluminio 7050

La aleación de aluminio 7050 es un tipo de aleación Al-Zn-Mg-Cu desarrollada por Alcoa Corporation en la década de 1970 a través de la regulación del componente de la aleación de aluminio 7075.

El Zn y el Mg en la aleación de aluminio 7050 pueden formar un fuerte efecto de envejecimiento de la fase MgZn2, que es la principal fase de refuerzo de la aleación de aluminio de alta resistencia, mejorando significativamente la resistencia de la aleación de aluminio 7050.

El Cu puede reducir la diferencia de potencial entre los límites de grano y las regiones intracristalinas, suprimir su susceptibilidad al agrietamiento intergranular y ampliar el rango de temperatura estable de las zonas G.P., haciendo que la aleación sea menos propensa al sobreenvejecimiento.

El Zr tiene un buen efecto en el aumento de la temperatura de recristalización y el refinamiento del tamaño de grano de la aleación, y puede mantener la estabilidad del Zn, Mg y Cu en la solución sólida, reduciendo significativamente la sensibilidad al enfriamiento de la aleación de aluminio 7050.

Actualmente, es difícil conseguir un nivel técnico estable de propiedades del material después del tratamiento térmico para el material de aleación de aluminio 7050, y a menudo hay casos de conductividad eléctrica no conforme en la producción real.

La conductividad eléctrica no puede equipararse con los factores de resistencia y sensibilidad a la corrosión bajo tensión.

Por lo tanto, es muy significativo encontrar los factores de influencia del proceso de tratamiento térmico en la conductividad eléctrica, y hacer coincidir la conductividad eléctrica de las piezas forjadas con otras propiedades.

Materiales y métodos de ensayo

(1) En este artículo, se utilizó material cuadrado de aleación de aluminio 7050, y su composición química normalizada se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1 Composición química (fracción másica, %) de la aleación de aluminio 7050.

Aleación7050
Alresto
Zn5.7~6.7
Cu2.0~2.6
Mg1.9~2.6
Si<0.12
Zr0.08~0.15
Ti<0.06
Fe<0.15
Mn<0.10
Cr<0.04
Otros<0.15

(2) Dimensiones de forja. Las dimensiones de forja y el espesor efectivo se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2 Dimensiones de forja y espesor efectivo.

Tamaño de forjaEspesor efectivo de las piezas forjadas
550mm×295mm×174mm174 mm

(3) El sistema de tratamiento térmico se muestra en la Tabla 3. La precisión del equipo utilizado en el proceso de tratamiento térmico es de ±3℃.

Tabla 3 Sistema de tratamiento térmico de la aleación de aluminio 7050 T7452.

Estado del tratamiento térmicoNúmero de forjaSolución sólidaDeformación en fríoPuntualidad de primer nivelPuntualidad secundaria
  T7452A477℃ × 65h,
refrigerado por agua
2%~3%121℃ × 6h,
refrigerado por aire
175℃ × 8h,
refrigerado por aire
B471℃ × 65h,
refrigerado por agua
2%~3%121℃ × 6h,
refrigerado por aire
175℃ × 8h,
refrigerado por aire
C471℃ × 6.5h,
refrigerado por agua
2%~3%121℃ × 6h,
refrigerado por aire
175℃ × 10h,
refrigerado por aire
D471℃ × 65h,
refrigerado por agua
2%~3%121℃ × 6h,
refrigerado por aire
175℃ × 12h,
refrigerado por aire

Para investigar las cuestiones anteriores, basándose en la producción, se diseñaron cuatro conjuntos de planes experimentales. El sistema de tratamiento térmico de la forja A y la forja B cambia la temperatura de la solución, mientras que los demás permanecen inalterados; el sistema de tratamiento térmico de la forja B, la forja C y la forja D aumenta el tiempo de envejecimiento secundario en 2 horas cada vez, mientras que los demás parámetros permanecen inalterados.

Resultados experimentales y análisis

Influencia de cuatro sistemas de tratamiento térmico en la conductividad eléctrica de las piezas forjadas.

La conductividad eléctrica de la aleación de aluminio 7050 se ve afectada principalmente por el grado de aleación, la recristalización de la matriz y la precipitación de solutos en la solución sólida durante el tratamiento de la solución y el proceso de envejecimiento.

En este estudio, se utilizaron cuatro sistemas de tratamiento térmico para tratar las piezas forjadas, y se midió la conductividad eléctrica en cinco puntos para cada pieza forjada utilizando un medidor de conductividad eléctrica del tipo de corrientes parásitas, como se muestra en la Tabla 4.

Tabla 4 Conductividad eléctrica/(mS/m) de cuatro grupos de piezas forjadas.

Número de forjaResultado de la prueba
Posición 1Posición 2Posición 3Posición 4Puesto 5
A23.0123.1623.1422.9522.99
B22.6622.3622.5622.3122.28
C23.3523.3223.2923.4223.12
D23.523.523.823.623.6

Durante el tratamiento en solución de aleaciones de aluminioEn la fase de disolución, se producen dos procesos principales, que son la disolución de las fases sobrantes y la recristalización de la matriz. Estos son también los principales factores que afectan a la conductividad eléctrica durante el proceso de tratamiento de la solución.

La disolución de las fases en exceso tiene por objeto disolver al máximo los átomos de soluto en la matriz, formando una solución sólida sobresaturada, preparándose para la precipitación de la fase de refuerzo durante el proceso de envejecimiento.

La aleación de aluminio 7050 tiene un alto contenido de elementos de aleación y una estructura interna compleja, con varios tipos de fases eutécticas en la aleación, como T(AlZnMgCu), S(Al2CuMg), η(MgZn2) y Al7Cu2Fe.

Según los informes bibliográficos, a una temperatura de solución de 471℃, parte de la fase T se funde parcialmente en la matriz, pero aún queda una pequeña cantidad de fase S en la matriz; cuando la temperatura de solución es de 477℃, aún puede detectarse fase S en la aleación.

Dentro de un determinado rango, el grado de solución sólida de las piezas forjadas aumenta con el incremento de la temperatura de solución.

Cuando la temperatura de la solución aumenta de 471℃ a 477℃, la estructura deformada disminuye y la estructura recristalizada aumenta.

Además, cuanto mayor es la temperatura de la solución, más rápido aumenta el porcentaje de recristalización de la aleación, y la influencia de la recristalización en la conductividad eléctrica es mayor que la de los átomos de soluto que se disuelven en la matriz.

Comparando la conductividad eléctrica de la forja B y la forja A, se encuentra que la conductividad eléctrica aumenta a medida que la temperatura de la solución aumenta de 471℃ a 477℃.

Esto se debe a que cuanto mayor es la temperatura de la solución, más rápido aumenta el porcentaje de recristalización de la aleación y, en este momento, la influencia de la recristalización en la conductividad eléctrica de la aleación es mayor que la de los átomos de soluto que se disuelven en la matriz, lo que provoca un aumento de la conductividad eléctrica.

Comparando la conductividad eléctrica de la forja B, la forja C y la forja D, se observa que la conductividad eléctrica de las piezas forjadas aumenta secuencialmente a medida que se prolonga el tiempo de envejecimiento secundario.

Esto se debe a que el tratamiento de envejecimiento es un proceso de tratamiento térmico clave que controla las propiedades de las piezas forjadas.

La secuencia de precipitación de la aleación de aluminio 7050 durante el proceso de envejecimiento en dos etapas es: solución sólida sobresaturada → zonas G.P. → fase η' → fase η.

Durante el envejecimiento secundario, las zonas G.P. de mayor tamaño se transforman en fase η' y, con la prolongación del tiempo de envejecimiento secundario, disminuye el contenido de zonas G.P., aumenta el contenido de fase η' y, al mismo tiempo, disminuye la resistencia y aumenta la conductividad eléctrica.

Efecto de cuatro sistemas de tratamiento térmico en las propiedades de tracción a temperatura ambiente de piezas forjadas.

Las propiedades de tracción a temperatura ambiente de grandes piezas forjadas de aleación de aluminio 7050 procesadas mediante cuatro sistemas de tratamiento térmico se muestran en la Tabla 5.

Tabla 5 Propiedades de tracción a temperatura ambiente de la forja A, la forja B, la forja C y la forja D.

ForjaResistencia a la tracción
/MPa
Límite elástico
/MPa
Alargamiento
/5D (%)
Dirección de la muestra
A52148813.0L
50344512.5
4994566.0LT
5014766.5
4864125.0ST
4844146.0
470/460/450400/385/3608/4/3estándar
B53850013.5L
51947912.5
52347710.0LT
54250010.5
5074634.5ST
5084634.5
470/460/450400/385/3608/4/3estándar
C50241512.5L
51142213.0
5044528.5LLT
5194716.5
5014388.5SST
5154528.5
470/460/450400/385/3608/4/3estándar
D49141613.5L
48941614.0
47638510.5LLT
47138711.5
4643708.5ST
476389siete
 470/460/450400/385/3608/4/3estándar

Si se comparan los datos de tracción a temperatura ambiente de la forja A y la forja B, se observa que la resistencia disminuye unos 20 MPa a medida que la temperatura de la solución aumenta de 471 ℃ a 477 ℃.

Esto se debe a que en este rango de temperaturas domina el efecto de la recristalización, y el proceso de recristalización no es del todo un proceso de refinamiento de grano.

Dado que la temperatura de envejecimiento es mucho más baja que la temperatura de tratamiento de la solución, la morfología y la configuración de dislocación de los granos de aleación tras el tratamiento de la solución sólida pueden cambiar débilmente durante el proceso de envejecimiento.

Por lo tanto, si el porcentaje de recristalización es elevado tras el tratamiento de solución sólida, la densidad de dislocación en el material disminuirá, lo que se traducirá en una disminución de la resistencia de la aleación.

Entre ellos, el límite elástico transversal de la forja B a una temperatura de solución de 471℃ es demasiado alto, lo que afectará al factor de sensibilidad a la corrosión bajo tensión de la forja (límite elástico longitudinal - 12 × conductividad eléctrica).

Por lo general, si el límite elástico transversal es superior a 490MPa, el factor de sensibilidad a la corrosión bajo tensión no está cualificado.

Comparando los datos de tracción a temperatura ambiente de la forja B, la forja C y la forja D, se observa que la resistencia de las piezas forjadas tiende a disminuir a medida que se prolonga el tiempo de envejecimiento secundario.

Sin embargo, la resistencia de la forja D ya se ha llevado al límite, sin margen, por lo que es fácil que quede descalificada. Durante el proceso de envejecimiento secundario, aumenta el contenido de zonas G.P. mayores que el tamaño crítico, formándose así la fase η', y la aleación se sobreenvejece, lo que provoca una disminución de la resistencia de la aleación.

Relación entre la conductividad eléctrica de la forja, la resistencia y el factor de sensibilidad a la corrosión bajo tensión.

Dado que la conductividad eléctrica tiene las ventajas de ser una prueba rápida, no destructiva y fácil de medir, puede utilizarse para estimar algunas propiedades mecánicas de la aleación en la producción real.

Resumiendo los datos de rendimiento de los procesos de producción anteriores, los datos de rendimiento de resistencia correspondientes a la gama de conductividad eléctrica se resumen en la Tabla 6.

Tabla 6 Resumen de los datos de resistencia y conductividad eléctrica.

Gama de resistencia a la tracción
/MPa
Intervalo de límite elástico
/MPa
Dirección de la muestraRango de conductividad
/(mS/m)
500~552490~507L22.5~24.5
498~542462~506LT
480~510403~474ST
495~535490~510L22.5~23.5
481~530409~487LT
473~505370~446ST

De la Tabla 6 se desprende que existe una relación de correspondencia entre la conductividad, la resistencia y el rendimiento del factor de sensibilidad a la corrosión bajo tensión.

Para piezas forjadas con requisitos de alta resistencia, la conductividad de las piezas forjadas puede controlarse dentro del intervalo de 22,5-24,5 mS/m.

Para las piezas forjadas con requisitos de factor de corrosión bajo tensión, la conductividad debe controlarse dentro del intervalo de 22,5-23,5 mS/m. Tanto la resistencia como el factor de corrosión bajo tensión de las piezas forjadas pueden cumplir los requisitos estándar.

Con la extensión del tiempo de envejecimiento de la segunda etapa en la aleación de aluminio 7050, la fase de equilibrio η (MgZn2) precipitada en el grano se hace más uniforme, y la fase de precipitación en el límite del grano se hace discontinua y se engrosa.

La corrosión electroquímica causada por la diferencia de potencial entre el límite de grano y la matriz se reduce, mejorando así el rendimiento anticorrosión de la aleación de aluminio 7050.

A medida que aumenta el tiempo de envejecimiento de la segunda etapa, también aumenta la conductividad. Por lo tanto, en la producción diaria, la conductividad ligeramente superior puede controlarse para satisfacer el mejor rendimiento anticorrosión de las piezas forjadas y, al mismo tiempo, cumplir los requisitos de resistencia.

Aunque la correlación entre el conductividad del aluminio aleación y algunas de sus propiedades mecánicas, aún no está claro cuál es la conexión intrínseca de algunas de estas correlaciones.

Por lo tanto, todavía se necesita una gran cantidad de datos de producción real para analizarlos y resumirlos.

Conclusión

⑴ Cuando la temperatura de la solución aumenta de 471°C a 477°C, la resistencia de las piezas forjadas disminuye y la conductividad aumenta.

⑵ Al prolongarse el tiempo de envejecimiento de la segunda etapa, disminuye la resistencia de las piezas forjadas, aumenta la conductividad y mejora el rendimiento anticorrosión.

⑶ Cuando la conductividad se controla dentro del intervalo de 22,5-23,5 mS/m, pueden cumplirse simultáneamente los requisitos de resistencia y los factores sensibles a la corrosión bajo tensión de las piezas forjadas.

⑷ En la producción real, las propiedades mecánicas de las piezas forjadas pueden deducirse por su conductividad.

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Shane
Autor

Shane

Fundador de MachineMFG

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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