Introducción Generalidades del cobre Metalurgia del Cobre Proceso Pirometalúrgico Proceso Hidrometalúrgico Clasificación del Cobre y Aleaciones de Cobre Cobre no aleado Latones Cu + Zn Bronces Cu + Sn Cuproníqueles Cuproaluminios

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20 - Cobre

(2)

Contenido

Introducción

Generalidades del cobre

Metalurgia del Cobre

Proceso Pirometalúrgico

Proceso Hidrometalúrgico

Clasificación del Cobre y Aleaciones de Cobre

Cobre no aleado

Latones

Cu + Zn

Bronces

Cu + Sn

Cuproníqueles

Cuproaluminios

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Evolución de la Ingeniería

en Materiales

Edad de Piedra: 2500000 - 3000 a.C Edad de Cobre: 4000 – 3000 a.C Edad de Bronce: 3000 – 1500 a.C Edad de Hierro: 1500 a.C

El cobre fue uno de los primeros metales utilizados por la cultura humana (junto con el oro). Se piensa que este metal fue descubierto alrededor del año 6000 a.C. En aquel tiempo, el cobre se encontraba en estado

metálico (cobre nativo).

Los pueblos antiguos confeccionaban utensilios y armas, martilleando este metal (forjado en frío). El cobre forjado era más duro (endurecimiento por deformación) y su atractivo color rojizo lo hicieron muy apreciado por las civilizaciones antiguas.

Cerca del 4000 a.C. se descubrió que el cobre podía ser fundido y colado en una variedad de formas útiles. Posteriormente se descubrió que el cobre aleado con estaño podría ser fundido más fácilmente que el metal puro. Esto condujo al uso generalizado del bronce, que dio nombre a la Edad del Bronce.

Para los antiguos romanos, la isla de Chipre era casi la única fuente de este metal, por lo cual le llamaron “aes cyprium” (metal de Chipre). Luego fue abreviado a “cyprium” y posteriormente a “cuprium”. De aquí deriva el símbolo químico del cobre Cu.

El símbolo del cobre se representó con el mismo signo que Venus (la Afrodita griega) pues Chipre estaba consagrada a la diosa de la belleza y los espejos se fabricaban de este metal. El símbolo, espejo de Venus, modificación del Ankh egipcio, fue posteriormente adoptado para simbolizar el género femenino (♀).

Ankh (símbolo egipcio de la vida

eterna) Espejo de Venus

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Generalidades del

Cobre

• Excelente Conductividad Eléctrica (precedido por Ag). • Excelente Conductividad Térmica.

• Elevada Ductilidad y Maleabilidad.

• Resistencia a la corrosión – Metal Seminoble Pátina Verde. • Excelente Conductividad Eléctrica (precedido por Ag).

• Excelente Conductividad Térmica. • Elevada Ductilidad y Maleabilidad.

• Resistencia a la corrosión – Metal Seminoble Pátina Verde.

• Muy buena soldabilidad.

• Excelente resistencia a la corrosión.

• Endurecimiento por def. plástica en frío y en caliente (Acritud). • Algunas son bonificables.

• Relativam. baja Dureza.

• Relativam. baja Resistencia Mecánica. • Elevada Ductilidad.

• No magnético. • Reciclable.

Conductividad Relativa (Cu=100) Metal Eléctrica Térmica

Ag 106 108 Cu 100 100

Au 72 76

Al 62 56

Mg 39 41

Zn 29 29

Ni 25 15

Cd 23 24

Co 18 17

Fe 17 17

Acero 13-17 13-17

Pt 16 18

Sn 15 17

Pb 8 9

Aleaciones

El cobre es el tercer metal más utilizado en el mundo, por detrás del hierro y el aluminio.

Propiedades del Cobre Puro Propiedades del Cobre Puro

Propiedades del Cobre y de aleaciones de cobre Propiedades del Cobre y de aleaciones de cobre

Características del Cu

Conductividad Relativa (Cu=100)

Metal Eléctrica Térmica

Ag 106 108

Cu 100 100

Au 72 76

Al 62 56

Mg 39 41

Zn 29 29

Ni 25 15

Cd 23 24

Co 18 17

Fe 17 17

Acero 13-17 13-17

Pt 16 18

Sn 15 17

Pb 8 9

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Usos generales del Cu y aleaciones

1) Construcción de edificios 48%: cables eléctricos, fontanería y

calefacción, aire acondicionado y refrigeración comercial, terminaciones y usos arquitectónicos.

2) Productos eléctricos y electrónicos 21%: Cables y equipos para la

energía y servicios públicos de telecomunicaciones, equipos electrónicos y dispositivos de alumbrado y cableado.

3) Maquinaria y equipo industrial 10%: Equipos de planta, válvulas y

accesorios, instrumentos no eléctricos e intercambiadores de calor.

4) Industria Automotriz y transporte en general 10%: Camiones,

autos, autobuses, ferrocarril, barcos, vehículos aéreos y espaciales.

5) Productos de consumo y de uso general 11%: electrodomésticos,

juegos de cables, pertrechos militares y municiones comerciales, electrónica de consumo, cierres y clausuras, monedas, utensilios y cubiertos, adornos y otros.

Building construction Electrical and electronic products Industrial machinery and equipment Transportation equipment

Consumer and general products 1 2 4 3 5 http://minerals.usgs.gov/ds/2005/140/copper.xls

USD/KG

USD/ton

Costo relativo

Steel Coil (hot rolled)

0,513

513

1 Alum Alloy

1,730

1730

3 Aluminum

1,904

1904

4 Zinc

2,136

2136

4 SS304 (hot rolled)

2,21

2210

4 Lead

2,241

2241

4 Copper

6,500

6500

13 Tin

14,855

14855

29 Nickel

16,185

16185

32 Gold

10000

10000000

19493

http://www.metalprices.com/#

http://www.steelonthenet.com/prices.html

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Estructuras del Cu y sus aleaciones

La celdilla fundamental de la red espacial de un grano cristalino de cobre es cúbica

de caras centradas. Si se añade un segundo elemento de aleación, puede ocurrir:

•Solución sólida α.Con pequeñas cantidades de soluto, se obtiene una sustitución desordenada en la red espacial del cobre, conservando la red espacial cúbica de caras centradas. (ejemplos: Zn, Sn, Al, Ni, Be, Si)

•Estructura cúbica de cuerpo centrada, fase β (desordenado).Al incrementar la proporción del soluto, en algunos casos se forma una nueva esructura cristalina.

•Estructura cúbica de cuerpo centrada, fase β’ (ordenado).Bajo ciertas condiciones de equilibrio ocurre una nueva ordenación de la red espacial. Por ejemplo, en latones β, cuando Nº átomos Cu ≈ Zn, uno de los los átomos ocupan los vértices de la celdilla findamental.

•Insolubilidad.Algunos átomos no entran en solución sólida con el Cu, los cuales retienen su propia red cristalina. Permaneces distribuidos en la red cristalina del Cu. Ejemplos: Pb, Fe, Bi. Pueden ser beneficiosas o perjudiciales.

•Formación de compuestos químicos estables.Ejemplos: O, S, Se, Te. Se producen precipitados. En algunos casos son deseables, según cómo varía la solubilidad del precipitado con la temperatura y la forma y ubicación del precipitado.

•Formación de estructuras martensíticas.En algunos casos, mediante un TT adecuado. Ejemplos: Latón: tetragonal de caras centrada, Cu-Sn β’, Cu-Al β’ (pseudohexagonal) y γ’ (hexagonal compacta).

En la antigüedad, el cobre se encontraba disponible en la naturaleza como elemento libre (cobre nativo).

Debido que actualmente las reservas de Cu nativo están agotadas, se extrae de sus minerales (sulfuros u óxidos), dando origen a dos tipos de procesos de extracción:

Las minas de cobre más importantes se encuentran en EEUU, Cordillera de los Andes, África Central y Rusia.

El mineral de cobre contiene, en general, entre 0,2 y 3% de Cu

Metalurgia del Cobre

Procesos de Extracción Pirometalúrgicos (minerales sulfurados)

Procesos de Extracción Hidrometalúrgico (minerales oxidados) Procesos de Extracción Pirometalúrgicos (minerales sulfurados)

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(8)

Metalurgia del Cobre

Las menas se dividen en sulfuradas, oxidadas y mixtas. Las menas sulfuradas suelen ser de origen primario, mientras que las menas oxidadas se forman como resultado de la oxidación de los minerales sulfurados. En general, en las menas hay cantidades considerables de otros metales: Zn, Pb, Au, Ag, Ni, Se, Ta.

Calcosina (Cu₂S) Calcopirita (CuFeS₂) _{Cuprita (Cu}

2O)

Covellina (CuS) _{Tenerita (CuO)}

Procesos de Extracción Pirometalúrgico

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1) Roca dinamitada (1-6%Cu) 2) Transporte

3) Trituración 4) Molienda

5) Concentración (flotación) 35%Cu 6) Filtrado

Concentrado de Cu

Gases de escape: Óxidos de S (Posteriormente H₂SO₄)

Proceso Pirometalúrgico

http://mineria-chilena.blogspot.com/

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Proceso Pirometalúrgico

Concentrado de Sulfuros de Cu y Fe + Metales de Interés

Horno de Reverbero u Horno Eléctrico

Escoria + SO₂ (sulfuros)

Mata

(40%Cu + MI) Convertidores

Escoria + 2% Cu

(Óxidos Fe, Si, Ca, Mg)

Lingotes de Cu Blister

(98%Cu + MI) Horno de Afino_{(Afino Térmico)} Escoria Tough Pitch Copper

(99.5%Cu + MI) Cu TP Afino Electrolítico Fango + MI Cobre electrolítico

(99.9%Cu) Horno de Inducción Escoria

Electrolitic Tough Pitch Copper (Cu ETP)

Lingotes Barras

Metales de Interés

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Proceso Hidrometalúrgico

El mineral debe ser reducido a un tamaño de 1 cm de diam para la lixiviación.

El material triturado se transporta a torres de apilamiento, para su posterior tratamiento de Lixiviación.

Riego por goteo o aspersión de una solución de ácido sulfúrico o soluciones de amonio. Esta solución se infiltra en la pila hasta su base. La solución disuelve el cobre contenido en los minerales oxidados, formando una solución de sulfato de cobre.

Luego de 14 a 60 días, se obtiene una solución enriquecida en cobre, pero con muchas impurezas.

Objetivo: Obtener una solución purificada sólo con cobre. En esta etapa se transfiere selectivamente los iones de cobre desde la solución lixiviada hacia la solución electrolítica, mediante una solución orgánica (mezcla de solvente parafínico y un reactivo extractante).

1. Molienda – Trituración: 1. Molienda – Trituración:

2. Apilamiento: 2. Apilamiento:

3. Lixiviación: 3. Lixiviación:

4. Extracción por solvente (SX) 4. Extracción por solvente (SX)

5. Electrodeposición (EW) 5. Electrodeposición (EW)

Proceso Hidrometalúrgico

1

2

3

4

5

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Clasificación del cobre y de las

aleaciones de cobre

1) Cobre no Aleado 2) Latones (Cu-Zn) 3) Alpacas (Cu-Zn-Ni)

4) Latones especiales (Cu-Zn + Sn / Al / Fe / Mn / Ni / Si / Pb) 5) Bronces (Cu-Sn)

6) Cuproníqueles (Cu-Ni) 7) Cuproaluminios

8) Cuproplomos 9) Cuproberilios 10)Cuprosilicios

(14)

Aleaciones de Cu

Cobre no Aleado

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Cobre no Aleado

Cobre puros: TP, ETPHC, OFHC, DLP, DHP

Cobres débilmente aleados. Poseen pequeñas cantidades de algunos aleantes con la finalidad de endurecer (End x ss, End x def, End x pp) y aumentar la T de recristalización. Los aleantes elegidos no deben disminuir demasiado la conductividad.

●Cu-Ag (<1%): 100 IACS. T<200ºC. End por ss. ●Cu-Cd (<1%): 90-97 IACS. T<200ºC. End por ss.

●Cu-Zr (<0.2%): 93 IACS. T<400ºC. End x def + End x pp + End x env. ●Cu-Cr (<1%): 80-85 IACS. T<350ºC. End x pp

●Cu de maquinabilidad mejorada (Te, Pb, S): 95-98 IACS. End por ss.

Conductividad Térmica Resistencia a la Corrosión

Soldabilidad (Brazing y Soldering) Ductilidad

Tenacidad Antimicrobiano Maleabilidad

Rango de Colores y acabados superficiales Reciclabilidad

http://www.copperinfo.co.uk/alloys/copper/homepage.shtml

Cobres de uso eléctrico (elevada conductividad): Cobres de uso eléctrico (elevada conductividad):

Cobres de uso ingenieril (no eléctrico): Arquitectura y cañerías: Cobres de uso ingenieril (no eléctrico): Arquitectura y cañerías:

Grado Proceso % Cu min

% O Susceptible a FPH?

Conductividad (IACS) TP Refinado térmico 99.85 0.02 a 0.04 Si 95 (tipico) ETPHC Refinado térmico y electrolítico. 99.90 0.02 a 0.04 Si >100 OFHC Refinado térmico y electrolítico.

Refundido bajo condiciones reductoras (CO + N)

99.95 99.99

<0.01 No >100 >101

Grado Proceso % P Conductividad (IACS) DHP Refinado térmico y electrolítico. Desoxidado con P 0.02 a 0.03 70-90

DLP Refinado térmico y electrolítico. Desoxidado con P 0.004 a 0.012 90-97

Cobres de uso eléctrico (elevada conductividad)

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Cobre OFHC. 50X. Ataque con H₂O₂/NH₄OH.

Estructura: Trabajado en frío + recocido + trabajado en frío nuevamente. Esto se deduce de la curvatura en las líneas de las maclas de recocido.

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Estructura de colada. Cobre TP. 200X.

Se observan dendritas de Cu primario y eutéctico Cu/Cu₂O.

Cobre TP

O < 0.024%. Dendritas primarias de Cu (zonas claras) + eutéctico. Sin ataque. 100×

O < 0.09%. Dendritas primarias de Cu (zonas claras) + eutéctico. Sin ataque. 100×

OFC. Trabajado en frío y recocido 30” a 850 °C.Granos equiaxiales

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Cobre afinado (99.85%Cu) Cobre afinado (99.85%Cu)

a b c

d e f

Recocido

Dureza Rockwell

F B 30T

a 49 -

-b 80 33

-c 86 41 53

d 89 54 58

e - 62

-f >92 - >61

con diferentes estados de acritud. 200X.

LATONES (brass)

(aleaciones Cu-Zn)

Latones α Latones α + β

Trab. Mec en Caliente Trab. Mec. en Frío (acritud) En gral Zn<36%

Trab. Mec en Caliente Bonificables

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α,

cúbica de caras centrada

cub de cuerpo centrado (desordenado)

Latones

Aleación %Zn Aplicaciones

Latón dorado 5 Imitación de oro, joyerías

Bronce Comercial 10 Bisutería, embutidos, forjados, pequeña ferretería (tornillos, remaches)

Latón Rojo (C23000) 15 Embutidos, entallas estampados, radiadores de automóbiles, tubos

Latón Bajo (C24000) 20 Artículos estirados y estampados, tubos flexibles

Latón de Cartuchería “70-30” (C26000)

30 Mejor zona para la embutición

Latón Alto, Amarillo (C27000)

35 Alfileres, roblones, instrumentos musicales, vainas de cartuchos

Metal Muntz (C28000) 40 Arquitectura, industria naviera Ejemplos de latones comerciales forjados y usos

Ejemplos de latones comerciales forjados y usos

Latones

Los latones con más de 50%Zn son frágiles (aparece el microconstituyente γ), por lo que no se lo emplean en la industria.

(20)

Latones

Mayor %Zn

Mayor RESISTENCIA Mayor DUREZA Menor DUCTILIDAD

Latones α (<36%Zn)

Puede ser trabajado en caliente (730 – 900ºC) y en frío.

En estado recocido es extremadamente

dúctil y maleable.

Latones α+ β(37.5% < Zn < 40%)

Mayor resistencia y dureza por el mayor contenido de Zn (endurecimiento por SS y por borde de grano).

Menor ductilidad por la presencia de la fase β.

Los latones α+βson difíciles de trabajar en frío.

En los latones especiales se agregan elementos de aleación (pequeñas cantidades de Sn, Al, Fe, Mn, Ni, Si y/o Pb) para incrementar la resistencia mecánica efecto sinérgico. En los latones especiales se agregan elementos de aleación (pequeñas cantidades de Sn, Al, Fe, Mn, Ni, Si y/o Pb) para incrementar la resistencia mecánica efecto sinérgico.

α, FCC

BCC des

BCC ord

Latón

α

(Cu-30%Zn)

Latón

α

(Cu-30%Zn)

50X. Se observan sólo 3 granos y una triple frontera. La diferencia en los contrastes de cada grano se debe a la diferencia en reflectividad según la orientación de las dendritas. Prácticamente, cada grano consiste en una única dendrita con múltiples ramificaciones. También se observa microsegrecación de los espacios interdendríticos.

(Latón de Cartuchería)

(21)

Latón

α

Latón

α

500X. De la figura se deduce la siguiente historia termomecánica:

1) Colado.

2) Trabajado en frío.

3) Recocido. Porque se observan maclas de recocido. Siempre que se observan

maclas de recocido en un metal cúbico de caras centrado, podemos deducir que hubo trabajado en frío seguido de un TT de recocido.

4) Trabajado en frío (leve). Por la curvatura en las líneas de macla de recocido.

200X.Enfriamiento en aire desde 825 ºC (región monofásica β). Se observa la fase α

Widmanstaetten.

La fase αprecipita dentro de los granos βy en los bordes de grano.

Habría menor cantidad de fase α(o nada) en caso de haber templado desde 825 ºC. Al contrario, en caso de un enfriamiento lento (en el horno) se obtendría mayor cantidad de fase αy formando precipitados redondeados, es decir una microestructura de

equilibrio.

Latón

α

+

β

(Cu-40%Zn)

Latón

α

+

β

(Cu-40%Zn)

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500X. Templado desde 825ºC.

Latón

α

+

β

(Cu-40%Zn)

Latón

α

+

β

(Cu-40%Zn)

(Metal Muntz)

BRONCES (bronzes)

(aleaciones Cu-Sn)

Bronces α

Bronces de estructura compleja

Trab. Mec en Caliente Trab. Mec. en Frío (acritud) Aleaciones forjadas

Trab. Mec en Caliente Bonificables

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Diagrama de equilibrio Diagrama que se

presenta en la práctica de aleaciones Cu-Sn

moldeadas.

Diagrama que se

presenta en la práctica de aleaciones Cu-Sn luego de un recocido.

Bronces

Los bronces (aleaciones Cu-Sn) frecuentemente tienen otros elementos de aleación: P (bronces fosforosos), Zn (bronces rojos), Ni, Pb.

Se obtienen generalmente por fusión directa de ambos metales. Se dividen en dos grupos:

1) Aleaciones forjadas. Estructura α.

2) Aleaciones moldeadas. Estructura αy compleja.

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Bronces

Microestructuras

Primer caso:

• Sn<8%, Moldeado: Estructura α Blanda, dúctil y maleable.

• Sn>8%, Moldeado: Estructura α+ eutectoide (α+ δ) Duro y frágil. Este eutectoide aumenta en pocentaje a medida que es mayor el %Sn.

Segundo caso:

• 8%<Sn<15.8%, Moldeado: Estructura α+ eutectoide (α+ δ) Duro y frágil • 8%<Sn<15.8%, Con TT adecuado: Estructura α Blanda, dúctil y maleable.

Mediante un tratamiento termomecánico adecuado (trabajado mecánico +

recristalización), puede obtenerse un bronce de estructura α_{con hasta 15.8%Sn.}

Conservando una microestrucura blanda, dúctil y maleable, lo cual facilita las técnicas de conformado. Esta es la base por la cual los bronces forjados tienen Sn<15.8%.

El diagrama de fases de no equilibro se genera porque estas aleaciones tienen un campo entre solidus y liquidus muy amplio, produciéndose importante segregación en fase αa medida que solidifica. De esta forma, el líquido remanente va modificando su composición química,

generando el diagrama de no equilibrio.

Bronces

Propiedades mecánicas

Los bronces αen estado laminado y recocido tienen propiedades mecánicas que dependerán del contenido de Sn. A mayor Sn, mayor dureza y resistencia mecánica. La mejora en la resistencia mecánica alcanza el máximo con 15%Sn.

De esta forma, los bronces de hasta 15,8%Sn, pueden conducirse a un estado que les permita conformarse en chapas, bandas, alambres y redondos mediante un trabajo mecánico en frío. Estos bronces así homogeneizados poseen una buena resistencia a la corrosión, y por ello se emplean en los casos donde se requiere elasticidad junto con buena resistencia al ataque químico (por ej, elementos de bombas y válvulas).

BRONCES DE ESTRUCTURA COMPLEJA.

El temple y revenido de bronces con más de 15,8% Sn, tienen un incremento de dureza, pero las aleaciones se hacen tan frágiles que pueden presentar microgrietas luego del tratamiento. Por ello, estos bronces se emplean en estado de moldeo, y en las aplicaciones industriales no suelen sobrepasar 20% Sn.

Son de estructura compleja, y los constituyentes ricos en Sn son duros y frágiles, mientras que la matriz, solución sólida αrica en Cu, es blanda.

Esta combinación hace que estos bronces sean especialmente adecuados para empleo en cojinetes (así como bronces con Sn>8% moldeados y sin tratamiento de

homogeneización); y además debido a su excelente resistencia mecánica, en

combinación con su resistencia a la corrosión, hace que su empleo se extienda también a numerosos productos, tales como cuerpos de válvulas y uniones de tuberías,

(25)

Bronce (Cu-10%Sn).

Estructura de colada.

Bronce (Cu-10%Sn).

Estructura de colada.

50X.

200X.

50X: Se observa la estructura dendrítica 200X y 500X: Se distingue la fase δ y se observa segregación de la fase α

(dendritas).

En las 3 micrografías, las zonas oscuras pueden ser cavidades de rechupe o partículas de plomo.

500X.

δ α

α

δ

α

Bronce

α

Bronce

α

Se observa fase αsin deformación en frío, dado que las maclas son de recocido (y no de deformación), por tener las líneas de macla rectas y paralelas.

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Se observa fase αcon deformación en frío. Se observan maclas de deformación y maclas de recocido.

El trabajado en frío fue realizado posterior al tratamiento térmico de recocido Esto se deduce por la curvatura en las líneas de macla.

Las maclas de recocido ponen en evidencia deformación en frío antes del TT, debido a que en las aleaciones de Cu, las estructuras de colada no tienen maclas. Sin embargo, las maclas de recocido también están deformadas, por lo que hubo un segundo

trabajado en frío posterior al tratamiento térmico.

Bronce

α

Bronce

α

200X 500X

Cu – 22%Sn. 150X. Se observa una estructura de temple, constituida por islas de αy βacicular (Espejo de Java).

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CUPRONIQUELES

(+Zn

Alpacas)

(aleaciones Cu-Ni)

Fase α

Excelente resistencia a la corrosión circuitos de aguas y uso marino

Cu y el Ni dan lugar a series continuas de

soluciones sólidasα, ya que, además de ser elementos adyacentes en la tabla periódica, son electroquímicamente similares, tienen átomos de tamaño próximamente iguales en estado sólido y ambos son de estructura cúbica de caras centradas.

Se obtiene como resultado una solución sólida sustitucional.

Todas las composiciones son maleables tanto en caliente como en frío,

obteniéndose aleaciones industriales en todo el campo de composiciones.

Cuproníqueles

La adición de Ni al Cu aumenta su dureza, resistencia a la tracción, resistencia a la corrosión y disminuye el alargamiento.

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Unidad de escala: 25 μm

Aleación C72500 (Cu, 10% Ni, 2% Sn)

CUPROALUMINIOS

(aleaciones Cu-Al)

Cuproaluminios α Cuproaluminios de estructura

compleja Trab. Mec. en Caliente

Trab. Mec. en Frío (acritud) Aleaciones forjadas

En gral Al<8%

Usos eléctricos y buena resistencia a la corrosión

Trab. Mec. en Caliente Bonificables

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α: ss, cúbica de caras centrada

β: Cu₃Al, cúbica de cuerpo centrado.

χ: Cu₉Al₄, cúbica compleja. γ1: Cu9Al4,

γ2: Cu9Al4,

Qué se destaca del diagrama de fases:

1) Elevado punto de fusión de las aleaciones Cu-Al.

2) Estrecho intervalo de solidificación (poca segregación).

3) Variación de los límites de solubilidad αy α+ βal disminuir la temperatura.

4) Transformación eutectoide β α+ γ2a 565ºC

Cada uno de estos factores influyen de una etapa a otra en el proceso de fabricación.

Cuproaluminios

Los cuproaluminios (mal llamados bronces al aluminio) tienen de 4 a 11% Al, con o sin elementos de aleación (Fe, Ni, Mn). Las aleaciones con más de 12% Al son muy frágiles, con casi ninguna aplicación industrial (excepto aleaciones Al-Cu).

Micoestructuralmente se pueden dividir en 2 grupos:

Cuproaluminiosα: con <8%Al tienen una estructura α, que es dúctil. Al igual que los latones αy bronces α, admiten trabajado mecánico en frío (por ej laminado y estirado en frío) previo tratamiento térmico de homogenización.

Cuproaluminios de estructura compleja: con 9-11%Al dan lugar a la precipitación de γ2, que es duro y frágil. Estas aleaciones pueden ser trabajadas mecánicamente

en caliente y son en general empleadas en componentes colados. Generalmente tienen Fe, Ni y Mn.

Los cuproaluminios son aleaciones resistentes a la oxidación, por formar una película de óxido de aluminio en la superficie, protegiéndolo de la oxidación tanto en estado sólido como en el líquido.

Generalmente se añade Fe (del orden del 2%), Ni y en menor medida Mn. Estos elementos entran en solución sólida e influyen en el refinamiento de grano, tanto en productos forjados como colados.

(30)

Ejemplo: Aleación Cu-11.8%Al

(composición eutectoide):

En resumen, si el enfriamiento es lento:

Β(des) _β 1(ord)

Al>13%: β1 γ’

Al<13%: β₁ β’

Transformaciones Martensíticas

β1yγ’ son estructuras hexagonales compactas. Difieren

en el aspecto radiográfico y en el aspecto micrográfico.

Si el enfriamiento es rápido:

Β(des) _β

1(ord) α+ γ2

@500ºC @500ºC

Transformación Eutectoide

Enfriamiento rápido. Reacción de ordenamiento

@500ºC β(des) β1 (ord). No puede evitarse ni aun

con un enfriamiento rápido. A menores temperaturas ocurre una transformación martensítica.

Según la composición química, se pueden dar dos tipos de transformaciones martensíticas: γ’ (para Al>13%) y β’ (para Al<13%).

Enfriamiento isotérmico entre 565-420ºC o enfriamiento contínuo <1ºC/min:

Se produce la transformación eutectoide en un agregado perlítico α+ γ2.

Cu – 9.5%Al – 2.5%Fe Cu – 9.5%Al – 2.5%Fe

5000X Cu – 10.5%Al. 2 horas @ 860ºC + enfriamiento al horno

Se observa una fase α(zonas claras) y

eutectoide (α+γ2).

Eutectoide α+γ₂(microscopio electrónico)

100X

(31)

Estructura de Enfriamiento Rápido

Cu – 10.5%Al. 30 min @ 860ºC + enfriamiento al agua

Estructura α+ β’ Fase β’, martensita acicular (microscopio electrónico)

Enfriamiento rápido: a una velocidad superior a la crítica, en función de la composición de la aleación.

5000X 100X

De colada De colada

Temple de 450ºC Temple de 450ºC

Estructuras de temple

crecientes para un

cuproaluminio con

10.5%Al.

(temples al agua)

α + (α + γ₂)

(32)

Aleación UNS Composición Formas Estado TS (Mpa) E% (50mm) Cu no aleado (OFE) C10100 99,99Cu F, R, W, T, P, S M20-H08 221-455 55-1

Latón dorado C21000 5Zn F, W OS050-H08 234-441 45-4

Bronce Comercial C22000 10Zn F, R, W, T OS050-H08 255-621 45-3 Latón Rojo C23000 15Zn F, W, T, P OS070-H08 269-724

48-Latón Bajo C24000 20Zn F, W OS070-H08 290-862 52-3

Latón de Cartuchería C26000 30Zn F, R, W, T OS100-H08 303-896 66-3 Latón Alto, Amarillo C27000 35Zn F, R, W OS070-H08 317-882 65-3 Metal Muntz C28000 40Zn F, R, T M30-H04 358-510 52-10 Bronce fosforado C50500 98,75Cu-1,25Sn-P F, W OS025-H08 275-517 48-4 Bronce fosforado C51000 95Cu-5Sn-P F, R, W, T O61-H08 317-710 47-2 Bronce fosforado C52100 92Cu-8Sn-P F, R, W OS050-H08 379-772 70-3 Bronce fosforado C52400 90Cu-10Sn-P F, R, W OS035-H08 455-841 70-4 Cuproniquel C70600 88.7 Cu,1.3 Fe,10.0 Ni F, T OS025-H55 303-413 42-10 Cuproniquel C71000 79.0 Cu, 21.0 Ni F, W, T OS025-H10 337-655 40-5 Cuproniquel C71500 70.0 Cu, 30.0 Ni F, R, T OS035-H80 372-585 45-15 Cuproaluminio C61000 92.0 Cu, 8.0 Al R, W O60-H04 358-448 45-30 Cuproaluminio C61400 91.0 Cu, 7.0 Al, 2.0 Fe F, R, W, T, P, S O60-H04 524-613 45-32 Cuproaluminio C61500 90.0 Cu, 8.0 Al, 2.0 Ni F O60-H04 482-861 55-5 F, flat products; R, rod; W, wire; T, tube; P, pipe; S, shapes.

Aleación UNS Composición Tipo de colada Estado Mpa E% Cobre no aleado C80100 99.95 Cu + Ag min, 0.05 other max C, T, I, M, P, S M01 172 40

Latón 10Zn C83400 90 Cu, 10 Zn C, S M01 241 30

Latón 40Zn C86400 59 Cu, 1 Pb, 40 Zn C, D, M, P, S M01 413 15

Bronce 7Sn C90200 93 Cu, 7 Sn C, S M01 262 30

Cuproaliminio 10Al C95300 89 Cu, 1 Fe, 10 Al C, T, M, P, S M01-TQ50 448-586 20-15 Cuproniquel 30Ni C96400 69.1 Cu, 30 Ni, 0.9Fe C, T, S M01 468 28 C, centrifugal; T, continuous; D, die; I, investment; M, permanent mold; P, plaster; S, sand.

Propiedades Mecánicas típicas del

Cobre y algunas Aleaciones de Cobre

Aleaciones con Memoria de Forma

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Aleaciones con Memoria de Forma

Efecto de memoria de forma Efecto de memoria de forma

El térmico se aplica a un grupo de aleaciones metálicas que muestran la habilidad de retomar una forma previamente definida cuando se lo somete a un ciclo

térmico apropiado. Este efecto se produce gracias a una transformación

martensítica termoelástica.

Ejemplo: Se tiene un trozo de alambre con una forma predefinida (podría ser un resorte). Se le aplica una fuerza, se lo estira y se lo deforma plásticamente (al menos no recupera la forma original al retirar la fuerza). Luego, se somete al alambre deformado a un ciclo térmico adecuado y el alambre recupera la forma de resorte original.

Este efecto se llama efecto de memoria de forma simple porque únicamente la forma caliente es memorizada, a la diferencia del efecto de memoria de forma doble en que tanto la forma fría como la caliente son recordadas.

• La mayoría de los metales comienzan la deformación plástica a partir de 0.2 %

de elongación (ensayo de tracción).

• Las aleaciones con memoria de forma pueden ser deformadas hasta un 5 % sin

llegar a su plasticidad.

MARTENSITA NO TERMOELÁSTICA (por ej. Aceros)

La transformación tiene un carácter explosivo y se acompaña de un cambio de volumen considerable, lo que crea una deformación plástica importante en la austenita. El mecanismo de deformación plástica predominante es el movimiento de dislocaciones. Tan pronto una plaqueta se forma hasta un cierto tamaño después de ser enfriada, ésta deja de crecer incluso si el enfriamiento continúa, la interfase entonces se ha hecho inmóvil. La transformación inversa no se produce por un movimiento de regreso de la interfase, sino por nucleación de la austenita en el seno de las plaquetas de martensita. Finalmente la fase inicial (austenita) no recupera su orientación original.

MARTENSITA TERMOELÁSTICA (Aleaciones con memoria de forma)

La transformación se produce mediante un crecimiento continuo de la fase martensítica durante el enfriamiento. Si el enfriamiento se detiene, la

transformación y el crecimiento de las plaquetas se interrumpe también. Si el enfriamiento continúa de nuevo, el crecimiento de las plaquetas continuará. El mecanismo de deformación plástica predominante es el maclado.

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Efecto de memoria de forma

Transformación martensítica termoelástica

Superelasticidad o pseudoelasticidad Superelasticidad o pseudoelasticidad

Si una aleación com memoria de forma es deformada a una temperatura ligeramente superior a Ms, es decir, en fase austenítica, puede provocarse la transformación martensítica (inducida por tensión). En realidad, esto significa que el esfuerzo hace aumentar la Ms.

Cuando se deja de aplicar esta tensión, el material recupera su forma original dado que se encuentra a una temperatura superior a la Ms.

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Efecto de memoria de forma

y superelasticidad

Preguntas

1. Menciones 5 características del cobre y 5 de sus aleaciones

2. ¿Cuál es la densidad, el modulo de Young y el coeficiente de dilatación lineal a 25°C del cobre puro? Utilice el sitio www.matweb.com y

compárelo con el Fe y Al.

3. ¿Qué es un bronce, un latón y una alpaca? 4. ¿Qué significa la escala IACS?

5. ¿Cuáles son los dos procesos metalúrgicos para la obtención de cobre metálico?

6. Describa el proceso pirometalúrgico

7. ¿Qué diferencia hay entre el cobre TP y el ETP? 8. ¿Qué clase de afinos de cobre hay en Argentina?

9. Describa el proceso hidrometalúrgico para la obtención de Cu 10. ¿Cuál es el objeto de agregar P a las aleaciones de cobre? 11. ¿Qué diferencia hay en los grados DHP y DLP?