PROPIEDADES DEL COBRE PURO

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Los aceros son producidos a bajo costo y con tecnologías relativamente

sencillas y con ellos se pueden obtener un amplio rango de propiedades

mecánicas.

Estas dos fortalezas hacen pensar que no tienen competencia, sin

embargo las aleaciones ferrosas tienen puntos débiles:

• Alta densidad

• Conductibilidad eléctrica y térmica bajas

• Poca o nula resistencia a la corrosión frente algunos ambientes

• Baja resistencia al creep ALEACIONES NO FERROSAS

Universidad Nacional de Córdoba FCEFyN

Catedra de Materiales II

Cobre y sus Aleaciones

Es por esto que para ciertas aplicaciones resulta muy apropiado el uso de

aleaciones metálicas de base no ferrosa: aleaciones de aluminio, de

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Se trata de un metal de poca dureza y gran ductilidad lo que lo hace difícil de mecanizar pero a la vez capaz de soportar grandes deformaciones plásticas.

Las principales virtudes del cobre son sin embargo, su elevada conductibilidad tanto eléctrica como térmica y su muy buena resistencia a la corrosión a un gran universo de medios corrosivos (humedad ambiente, agua salada).

Se presenta en la naturaleza normalmente combinado con azufre y contenido en distintos minerales pero también en estado puro.

COBRE PURO

PROPIEDADES DEL COBRE PURO

Símbolo químico Cu

Número atómico 29

Aspecto Metálico, Rojizo

Densidad 8,96 g/cm3

Estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC)

Punto de fusión 1084 ºC

Punto de ebullición 2927 ºC

Calor de fusión 13,1 kJ/mol

Electronegatividad 1,9

Calor específico 385 J/(K·kg)

Conductividad eléctrica 5,96 × 10^7 S/m _{2º lugar entre}

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COBRE PURO

En virtud de estas propiedades el cobre puro comercial es utilizado para la

fabricación de conductores y contactos eléctricos y tubos de

intercambiadores de calor entre otras aplicaciones.

Se lo clasifica por el contenido de impurezas, principalmente de oxígeno. El

contenido de oxígeno dependerá del método de desoxidación utilizado.

El oxigeno es prácticamente insoluble a temperatura ambiente en el cobre sólido.

En consecuencia pequeños porcentajes de este elemento dan lugar a la

precipitación del óxido cuproso (Cu2O) como parte de un eutéctico en sitios

interdendríticos durante su solidificación.

La presencia de oxígeno, como de cualquier otra impureza, produce un incremento

en la resistividad eléctrica y una disminución de la conductibilidad térmica. α + Cu2O

L

α

L+Cu2O

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Be Ag

Si P

Al Zn Cd

Sn %IACS

% impurezas 100

80

60

40

EFECTO DE LAS IMPUREZAS EN LA CONDUCTIVIDAD

α +Cu2O

Horno

°C

Recocido

Estructura del cobre electrolítico

de colada Estructura del cobre electrolítico

forjado y recocido Deformación

en frio

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• Se utilizan hidrocarburos como combustibles y desoxidantes a la vez.

• Contiene 0,02 a 0,05% de Oxigeno disuelto • Contenidos de oxigeno 500 a 3000 ppm como Cu2O

• Contenido de azufre 10 a 30 ppm • Conductividad ~ a 100% IACS

Cobre desoxidado al fuego

C12500

• El refinamiento se efectúa mediante un proceso electrolítico. De esta forma se logran bajar considerablemente los porcentajes de impurezas metálicas y el azufre. El nivel de oxígeno aun es alto. • Conductividad > a 100% IACS

Cobre electrolítico C11000

• Se parte de un cobre electrolítico el cual es refundido en un horno de inducción bajo una atmósfera reductora y libre de hidrógeno.

• Contenido de oxigeno menor a 0,001

• Son cobres de alto costo cuyo uso esta limitado a casos donde se precisa gran ductilidad y

conductividad como así también baja fragilidad por H2. Cobre libre de oxígeno

C10100

COBRE PURO - MÉTODOS DE DESOXIDACIÓN

Deformación en frío

Una forma de impartir una mayor dureza y resistencia tanto al cobre puro como

a sus aleaciones es mediante el conformado plástico en frío (alambres, barras,

chapas y láminas).

Aleantes

Mediante el agregado de elementos de aleación se produce un aumento de la

resistencia en detrimento de la conductibilidad eléctrica, térmica y la ductilidad.

Es el mecanismo de endurecimiento más económico y versátil.

Tratamientos Térmicos

Sólo algunas (muy pocas) aleaciones de cobre son factibles de evidenciar

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ALEACIONES DE COBRE

LATONES

Zinc como aleante principal <50%Zn

ALFA rojos Zn<20%

ALFA amarillos 20%<Zn< 36%

ALFA + BETA 36%<%Zn<46%

BRONCES Aleaciones de cobre

donde el aleante principal no es el Zn

COMUNES Estaño como aleante principal ESPECIALES Al aluminio Al berilio Al Silicio ALEACIONES ESPECIALES

Cupro-niquel Plata alemana y _otras

C1xxxx cobre puro (Sin aleantes principales)

C2xxxx aleado con Zn (Latones)

C3xxxx aleado con Zn y Pb (Latones plomados)

C4xxxx aleado con Zn y Sn (Latones de estaño)

C5xxxx aleado con Sn (Bronce clásico o Bronce fosforado)

C6xxxx aleado con Al (Bronce de aluminio) o con Si (Bronce de silicio)

C7xxxx aleado con Ni y Ni-Zn (Cuproníquel)

C8xxxx otras aleaciones de cobre especiales para fundición

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LATONES

latones

𝛼

rojos

latones

𝛼+β

latones

𝛼

amarillos

LATONES

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0 10 20 30 40 50 60 70

0 10 20 30 40 50

Res is te nc ia A la rga m ie nto % Zinc Resistencia Alargamiento

Latón de cartuchería _{Latón Muntz} Latón Joyería

α+ β LATONES

El agregado de Zinc en el cobre tiene incidencia en su resistencia, alargamiento y

dureza.

Se trata de latones monofásicos con contenidos de Zn > a 20% los cuales poseen

las mejores combinaciones de resistencia y ductilidad. Por ende, son aptos para

soportar drásticas operaciones de conformado en frio. El latón de cartuchería es el

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Fisuración integranular: las operaciones de conformado pueden generar en el

metal grandes tensiones residuales. Esto provoca la aparición de fisuras

intercristalinas con el tiempo, favorecidas por el entorno corrosivo en que estas

aleaciones suelen trabajar (SCC).

Es practica común por revenir los latones amrillos para permitir relajar tensiones. LATONES 𝛼 AMARILLOS

Dezincificación: Los latones con Zn > 15% sufren un tipo de corrosión selectiva

llamada descincificación, cuando están en contacto con agua de mar o agua

aireada o en altas temperaturas. Consiste en la disolución de la aleación para

luego depositar sobre la superficie un cobre poroso de muy baja resistencia y

poco adherente. El agregado de pequeñas cantidades de antimonio o estaño

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Existen algunos latones amarillos aleados, como el “Latón Admiralty”

(71Cu-28Zn-1Sn), en el que el agregado de estaño mejora la resistencia

mecánica y la resistencia a la corrosión y se utiliza principalmente para

tubos de intercambiadores de calor en plantas de energía de vapor. LATONES AMARILLOS ALEADOS

Latón amarillo al aluminio (76Cu-22Zn-2Al) cuya principal característica

es la gran resistencia a la corrosión por presencia de una fina pero tenaz

capa de óxido de aluminio que se forma en la superficie y la cual es

auto-regenerable (buen comportamiento frente a problemas de erosión –

corrosión).

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El plomo es un elemento de aleación que se agrega a los latones con el fin de

facilitar el mecanizado. Es insoluble en el cobre y se presenta en la red del latón

como partículas finas dispersas. Debido a esto y gracias a su baja resistencia al

corte, actúa como un controlador del tamaño de viruta y como lubricante de la

herramienta. Pueden encontrarse latones con hasta un 3,5% Pb. LATONES AMARILLOS ALEADOS

En la actualidad se ofrecen latones de ¨libre mecanizado¨ libres de plomo debido a

su toxicidad.

Contienen entre un 5% y un 20 % de Zn. Poseen en general mejor resistencia a la

corrosión que los Latones amarillos y no son susceptibles a la SCC y a la

Dezinsificación. LATONES ROJOS

Oropel (95Cu-5Zn) – C21000 – Gilding Metal

Mejor resistencia y bajo costo. Históricamente utilizado en la fabricación de monedas y cartuchos de municiones.

Bronce Comercial (90Cu-10Zn) – C22000

Mayor dureza a igual ductilidad. Por su parecido al bronce se utiliza en la fabricación de manijas y picaportes. Con 1,75%Pb se utiliza en la fabricación de tornillos.

Latón Rojo (85Cu-15Zn) – C23000 – Red Brass

Especialmente utilizado en tuberías de agua y accesorios por poseer la mayor resistencia a la SCC, a la dezincificacion y al pitting.

Latón Bajo (80Cu-20Zn) – C24000 – Low Brass

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Corresponden a aleaciones de cobre con contenidos de zinc de 38% a 46%.

Constituidos por dos fases (α+β´). Esta estructura bifásica va en detrimento de la

ductilidad pero ofrece una resistencia mecánica elevada (endurecimiento por

precipitación).

Alfa es una solución sólida de Zn en Cu, al igual que el cobre puro tiene estructura

FCC. Beta, en cambio tiene estructura BCC. Al atravesar el intervalo de

temperatura entre 454°C a 468°C en el enfriamiento, la fase β sufre un

ordenamiento atómico cuyo resultado final es la fase ordenada β´. LATONES 𝛼 + β

A temperatura ambiente la fase β es dura y frágil respecto a 𝛼 . No obstante a

elevadas temperaturas (>760°C) estos latones presentan solo la fase beta, la cual

es blanda y adquiere una gran plasticidad.

Esto hace que estos latones resulten complicados de deformar en frio pero con

buenas características para el trabajo en caliente (cuando son llevados a la región

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LATONES 𝛼 + β

El metal MUNTZ es el latón alfa + beta de mayor difusión (60Cu-40Zn). Son

aleaciones capaces de ser tratadas térmicamente.

Enfriando rápidamente desde la región beta (β) puedo evitar la aparición de alfa (α)

y obtener así un compuesto sobresaturado, el cual mediante un calentamiento

posterior a bajas temperaturas produce un precipitado fino de fase alfa. Es decir

que es tratable térmicamente. También se le suele agregar plomo para mejorar su

maquinabilidad.

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LATONES 𝛼 + β

El metal MUNTZ en forma de laminas ha sido extensamente utilizado para recubrir

cubiertas de barcos como remplazo del recubrimiento de cobre por ser 3 veces

mas barato y poseer la misma propiedad de anti-adhesión de organismos vivos a la

cubierta.

LATONES 𝛼 + β ALEADOS

Latón forjable (60Cu-38Zn-2Pb)

Las mejores propiedades de trabajo en caliente de cualquier latón. Se utiliza para piezas forjadas en caliente, ferretería y plomería.

Bronce para arquitectura (57Cu-40Zn-3Pb)

Excelente propiedades de forjados y alta maquinabilidad. Pasamanos, piezas moldeadas de decoración, bisagras y cerraduras.

Latón Naval (60Cu-39,25Zn-0,75Sn) – Bronce Tobin

Resistencia a la corrosión por agua salada incrementada, se utiliza en todo tipo de aplicaciones navales. Con el agregado de Pb se mejora la maquinabilidad y se utiliza en ferretería marina.

Bronce al manganeso (58,5Cu-39Zn-1,4Fe-1Sn-0,1Mn)

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Similares en nombre a los forjados, generalmente contienen cantidades

considerables de otros elementos de aleación que le mejoran su aptitud para ser

colados.

El Sn puede estar presente hasta en un 6% y el Pb hasta un 10%.

Se utilizan cuando se requiere de piezas con buena resistencia a al corrosión y no

pueden ser obtenidas mediante otros procesos. LATONES FUNDIDOS

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El menor costo del Zinc hace que los latones resulten más económicos que el

cobre puro y los bronces. No obstante la mayor resistencia mecánica y su

mejor desempeño frente a la corrosión justifican muchas veces el uso de los

bronces en lugar de los latones. BRONCES

El nombre Bronces se asocia normalmente con una aleacion de mas calidad

que el latón. Por eso, como hemos visto, a muchas aleaciones especiales de

latones se les llama incorrectamente bronces.

Debido a su alta resistencia a la corrosión por agua salada y a las buenas

propiedades mecánicas q se pueden obtener, los bronces encuentran su

principal aplicación en la industria naval.

BRONCE DE ESTAÑO

Es la aleacion de cobre originalmente conocida como Bronce y por ello se la llama

simplemente Bronce o Bronce ordinario. Posee estaño entre un 1 y un 11%

usualmente.

Debido a que el fosforo se utiliza como un desoxificador en la produccion de

bronce de estaño, se encuentra siempre presente en estas aleaciones en hasta un

0,5% y por ende se las conoce tambien como Bronces fosforados (serie UNS C8

La serie UNS C9XXX corresponde a Bronces de Estaño y aleaciones del mismo

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Estaño

Con menos de 7% de Sn, el bronce resulta monofásico. A % mayores pueden aparecer precipitados de δ y raramente de ε (transformación muy lenta).

Estaño

Se caracteriza por por ser una aleación de alta tenacidad, excelente resistencia a

la corrosión (y a la SCC) y un bajo coeficiente de fricción.

Debido a estas característica se emplean principalmente en la fabricación de

bujes, discos de embragues, resortes, etc.

Se suelen agregar pequeños porcentajes de Zn y Pb para mejorar la resistencia al

desgaste y la maquinabilidad. En el caso de los bujes de Bronce plomado, el

plomo actua como lubricante, disminuyendo simultaneamente el rozamiento y el

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BRONCE DE ESTAÑO - APLICACIONES

La aplicación por excelencia de los bronces de

estaño fosforados (serie C5xxxx) es la

fabricación de bujes.

Los bronces de estaño libres de fosforo (serie

C9xxxx) aleados se utilizan para la fabricación

de piezas que requieren de alta resistencia

mecánica y a la corrosión obtenidas por

fundición.

Bronce al aluminio. Presenta máxima solubilidad (9,5% Al) a 565°C (te). A esta

temperatura se produce una reacción eutectoide:

β → α+γ2

La mayoría de los bronces al aluminio contienen entre el 4% y 11% Al.

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BRONCE DE ALUMINIO

Las α+γ2 pueden ser tratadas

térmicamente obteniéndose estructuras similares a las de los

aceros templados. Al igual que éstos también son sometidas a

revenidos.

α+β

α+γ2

Cu90-Al10 bifásico enfriado lentamente.

Estructura similar a la perlita.

Bronce al Aluminio templado. Estructura acicular similar a la

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BRONCE DE ALUMINIO – α + γ2

Bronce al berilio.

Presenta máxima solubilidad (2,1 % Be) a 875°C la cual disminuye a solo 0,25% a

temperatura ambiente.

Este característica permite tratarlos por solución y precipitación. Con esto se

obtienen alta resistencia y dureza (comparable a la de ciertos aceros). BRONCE DE BERILIO

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Estructura de un bronce al berilio enfriado lentamente

Estructura de un bronce al berilio tratado por solución y envejecido

Estructura de un bronce al berilio sobre-envejecido BRONCE DE BERILIO - ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN

BRONCE DE BERILIO - APLICACIONES

Son de gran interés debido a su buena formalidad en condición suave y alta

resistencia y dureza una vez tratadas con T.T. a bajas temperaturas (económicos).

La mayoría de los bronces al berilio contienen porcentajes cercanos a 2% Be.

Este bajo porcentaje de aleante le permite mantener una buena conductividad.

Son principalmente utilizados en piezas en las que se requieren todas o algunas

de las siguientes propiedades:

- alta resistencia mecánica

- alta resistencia a la corrosión y al desgaste

- alta dureza

- alta resistencia a la fatiga

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BRONCE DE BERILIO - APLICACIONES

BRONCE DE SILICIO

Los bronces de silicio comerciales de menos de 5% de Si usualmente son de

tipo monofásicas. Son las aleaciones de cobre mas fuertes entre las

endurecibles por deformación.

Se alcanzan propiedades mecánicas similares a las de un acero de medio

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BRONCE DE SILICIO - APLICACIONES

La aleación C65620 (posee Fe, Mn y Zn) es fácil

de mecanizar y es muy utilizada para la fabricación

de jaulas de rodamientos ya que el silicio le aporta

auto-lubricación y por ende se obtienen

componentes de baja fricción.

Los bronces de silicio son extensamente utilizados

para la fabricación de tornillos y bulones de buena

resistencia a la corrosión así como para otros

componentes de recipientes a presión y

construcciones navales.

CUPRONIQUELES

Son aleaciones de cobre y níquel que contienen hasta un 30% de este último. Se

trata de aleaciones monofásicas que, por lo tanto, no son susceptibles de ser

tratadas térmicamente y solo pueden endurecerse por deformación en frio.

Presentan excelente resistencia a la corrosión por agua de mar por lo cual es

utilizada ampliamente en la industria naval y otras instalaciones que trabajen con

agua salada como por ejemplo aparatos de destilación e intercambiadores de

calor.

Histórica y actualmente utilizadas también para la acuñación de monedas por su