Cobre y Aleaciones

Propiedades físicas, químicas, biológicas, mecánicas, estéticas, soldabilidad. Latones. Bronces. Cuproalumnios. Cuproníqueles. Alpacas

  • Enviado por: Maximo Rendon
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 15 páginas

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Introduccion

En la presente trabajo nos aproximaremos desde un punto de vista técnico, a las propiedades del cobre y las ventajas que ellas representan. Ademas se tratara lo que es el cobre puro y lo que son el cobre en aleaciones. ¿Qué son uno y otro?. ¿Cómo se presentan?. ¿Tienen las mismas propiedades?. Y veremos cómo el cobre puro tiene propiedades de un metal noble y cómo bien trabajado puede resultar de una calidad y belleza impactantes.

En lo que respecta a las aleaciones se podrá comprobar cómo a través de estas, el cobre está presente en infinitas formas en el mundo circundante, en variados artículos que se emplean diariamente, en variadas actividades que facilitan la vida del hombre. Estas aleaciones se describen en el presente trabajo, enfatizando dos aspectos: las características fundamentales del cobre y otras composicones, y las aplicaciones más conocidas del mismo.

Ademas en lo corresponde a las propiedades de soldabilidad, se explica que el cobre se solda bien, siempre que sea con plata o estaño, y en cuanto a las propiedades estéticas del cobre, se hace hincapié en que éstas se relacionan con el color y la textura que lo hacen muy apreciable para los proyectos de arquitectura y decoración.

Objetivos

  • Distinguir entre cobre puro y aleaciones.

  • Caracterizar el cobre puro en sus parámetros principales.

  • Reconocer las formas principales en que se presenta el cobre puro.

  • Explicar las principales propiedades del cobre puro.

  • Explicar las razones por las cuales es necesario utilizar aleaciones de cobre en situaciones especiales en vez de cobre puro.

  • Describir características y aplicaciones de las distintas aleaciones con cobre

  • Identificar composiciones que conforman cada uno de los grupos en que se clasifican las aleaciones de cobre.

  • Reconocer objetos de uso común que están elaborados con aleaciones de cobre.

Planteamiento del Problema

La finalidad de este trabajo es el aprender como se trabaja el cobre y sus distintas aplicaciones en el mundo que nos rodea.

Como es que este atravez de distintos procesos como las aleaciones, adquiere distintas propiedades que los hacen adecuado para distintas operaciones ya sean electrónicas, esteticas o piezas que van ha estar en contacto con el agua de mar.

Y a traves de una visita que se realizo, profundizar sobre el tratamiento termico que se le da al cobre al llevarlo a temperaturas mayores a los 1000º C.

Marco teorico

Normalmente se considera COBRE PURO al cobre que tiene más del 99% de cobre en su composición.

La siguiente tabla muestra las características principales del cobre puro, en estado duro y recocido.

CARACTERÍSTICAS ESTADO DE SUMINISTRO

DURO RECOCIDO

Peso específico (Kg/dm 3 ) 8.9 8.9

Temperatura de fusión (Oº C) 1.083 1.083

Coeficiente de dilatación lineal 16.5 x 10-6 16.5 x10-6

Temperarura de Recocido (Oº C) 500

Temperatura de Forja (Oº C) 750 - 900 750 - 900

Solución de decapar H 2 SO 4 al 10% H 2 SO 4 al 10%

Carga de rotura R (Kg/mm 2 ) 32 22

Alargamiento (%) 3 a 5 28 a 30

Calor específico de 0º a 100ºC (cal/gºC) 0,092 0,092

Las principales formas en que se presenta el COBRE PURO son:

Cobre térmico tenaz (FRTP)

Cobre térmico de alta conductividad (FRHC)

Cobre electrolítico tenaz (ETP)

Cobre exento de oxígeno (OF)

Cobre desoxidado con fósforo con bajo contenido de fósforo residual (DLP)

Cobre desoxidado con fósforo con alto contenido de fósforo residual (DHP)

  • EL COBRE TERMICO TENAZ contiene 99.85% de cobre, siendo el resto oxígeno e impurezas.

  • El COBRE TERMICO DE ALTA CONDUCTIVIDAD es el cobre térmico que ha sido sometido a mejores condiciones de refinación que aumentan su conductividad.

  • El COBRE ELECTROLITICO TENAZ es un cobre refinado térmico que ha sido colado en ánodos que luego se refinan electrolíticamente. Tiene un contenido de 99.9% de cobre.

  • El COBRE EXENTO DE OXIGENO contiene un 99.95 % de cobre, manteniendo la misma buena conductividad. Es bastante caro y su aplicación es poco común.

  • EL COBRE DESOXIDADO CON FOSFORO CON BAJO CONTENIDO DE FÓSFORO RESIDUAL contiene un 99.9% de cobre, 0,005 a 0,012% de fósforo (P) y tiene una conductividad de 85 a 98%

  • EL COBRE DESOXIDADO CON FOSFORO CON ALTO CONTENIDO DE FÓSFORO RESIDUAL contiene un 99.85% de cobre, 0,013 a 0,50% de fósforo (P) y tiene una conductividad de 70 a 90%

Los tres primeros tipos de Cobre -termico tenaz, termico de alta conductividad y electrolitico tenaz- están estrechamente vinculados:

El cobre térmico de alta conductividad es el mismo cobre térmico tenaz que ha sido refinado en mejor forma.

El cobre electrolítico tenaz es un cobre térmico tenaz que ha sido colado en ánodos y luego refinado electrolíticamente.

El cobre exento de oxigeno es un caso aparte. Como su nombre lo indica, se le ha sacado el oxígeno. Es un muy buen material, pero es también más caro que los demás.

El cobre desoxidado con fosforo presenta dos casos:

De bajo contenido de fósforo residual (0,005 a 0,012 % de P) y

De alto contenido de fósforo residual (0,013 a 0,50 % de P).

PROPIEDADES PRINCIPALES DEL COBRE PURO

En cualquiera de las formas descritas es muy apreciado en el medio industrial, pero al cobre puro se le divide ademas de 6 distintos grupos de propiedades:

Físicas

Químicas

Biológicas

Mecánicas

De soldabilidad

Estéticas

PROPIEDADES FISICAS DEL COBRE

El cobre es un metal duro, de color rojizo, inerte y pesado, extraordinariamente dúctil y maleable. Después de la plata,el cobre es el mejor conductor de la electricidad.

El cobre es un gran conductor de la electricidad y del calor. Respecto a magnetismo, también el cobre presenta una propiedad que lo hace ser apreciado en la industria: es amagnético, es decir, no tiene magnetismo y, por lo tanto, no es atraído por polos.

Por ser amagnético, el cobre se utiliza mucho en relojería, construcción eléctrica y electrónica, armamentos, dragados de minas, etc.

Tres son las principales propiedades físicas que destacamos del cobre:

Buen conductor de la electricidad

El mejor conductor del calor

Amagnetico

PROPIEDADES QUIMICAS DEL COBRE

El cobre puede ser considerado como metal noble, después del platino, el oro y la plata. Por lo tanto, resiste atmósfera, agua limpia y muchos agentes químicos. Al igual que sucede con otros metales, son peligrosos para éI la acción de los ácidos oxidantes, el amoníaco y sus derivados (acetileno y otros).

Estas propiedades pueden resumirse en lo siguiente: El cobre, químicamente, es resistente a los agentes atmosféricos, y no se corroe fácilmente, a temperaturas normales.

PROPIEDADES BIOLOGICAS DEL COBRE

En la actualidad se sabe que el cobre:

• Ayuda a la formación de la hemoglobina de la sangre.

• Destruye microorganismos y bacterias existentes en el ambiente.

• Impide la fijación de algas y organismos marinos.

PROPIEDADES MECANICAS DEL COBRE

En propiedades mecánicas del cobre nos ocuparemos de varios aspectos y por ello se ha preferido presentar la información en tablas que por un lado señalan la propiedad (resistencia a la tracción, Iímite elástico, etc.) y por otro indican el tipo de cobre al cual corresponde (cobre electrolítico tenaz, cobre térmico de alta conductividad,etc.). Las tablas que le ofrecemos son tres, una para cada temperatura:

• Propiedades mecánicas de los cobres a baja temperatura.

• Propiedades mecánicas de los cobres a temperatura ambiente, y

• Propiedades mecánicas de los cobres a temperatura elevada.

Propiedades mecánicas de los cobres a baja temperatura (chapa)

Magnitud Unidad Estado a-196 C a-196C a-196 C a-196 C a-196 C a-196 C

Resistencia R 36 36 36 36 35 35

a la Kg/mm2 F 39 39 39 37-48 37 37

tracción

Límite R 7 7 7 6-7,5 6-7,5 6-7,5

Elástico Kg/mm2 F 26 26 26 19-22 18-20 18-20

Alarga- R 57 57 57 58-68 56-59 56-59

Miento % F 45 45 45 43-62 49-62 49-62

R= estado recocido

F= estado de forja (reducción 5-7 % en frío).

Propiedades mecánicas de los cobres a temperatura elevada

Magnitud Unidad Estado a-200 C a-200 C a-200 C a-200 C a-200 C a-200 C

Resistencia R 16 16 16 16 17 16

a la Kg/mm2 F 17,5 17,5 17,5 16 - 17,5

tracción

Límite R 6 6 6 6,5 - 5,5

elástico Kg/mm2 F 14,5 14,5 14,5 13 - 15,5

Alarga- R 57 57 57 57 60 52

miento % F 34 34 34 45 - 46

R= estado recocido

F= estado de forja

Propiedades mecánicas de los cobres a temperatura ambiente

Magnitud Unidad

Resistencia R1 22 22 22 22 22 22

a la Kg/mm2 R2 23-26 23-26 --- 23-26 --- ---

tracción F1 27-38 27-38 27-38 27-38 27-38 27-38

F2 38-45 38-45 --- 38-45 --- ---

Límite R1 5 5 5 5 5 5

Elástico Kg/mm2 F1 18-34 18-34 18-34 18-34 18-34 18-34

Alarga- R1 48 48 48 48 48 48

Miento % R2 26-37 26-37 --- 26-37 --- ---

Dureza R1 45 45 45 45 45 45

Brinell F1 75-105 75-105 75-105 75-105 75-105 75-105

Resistencia F1 16 16 16 16 16 16

a la Kg/mm2

cizalladura R 18-20 18-20 18-20 18-20 18-20 18-20

R1= estado recocido R2= estado recocido (alambre)

F1= estado de forja (reducción 5-7 % en frío). F2= estado de forja (alambre)

PROPIEDADES DE SOLDABILIDAD DEL COBRE

El cobre tiene buenas propiedades de soldabilidad. En otras palabras, se solda bien, como es fácil de verificar en muchas soldaduras.

Pero la soldadura del cobre debe hacerse con ciertos elementos y no con otros, el cobre resulta muy bien soldado con plata y estaño, pero no con otros metales.

PROPIEDADES ESTETICAS DEL COBRE

En arquitectura y decoración, el cobre es muy apreciado porque une belleza (propiedad estética) y resistencia a los agentes atmosféricos y a la corrosión.

El color del oro es, en realidad, una excepción, así como también lo es el cobre. Son prácticamente los únicos metales que tienen un color diferente y fuerte.

El color natural del cobre es rosado salmón, pero aparece a menudo rojizo debido a su oxidación superficial. La oxidación que sufre el cobre en contacto con el aire, es superficial y lo protege de toda oxidación posterior. Con los años, la capa superficial oxidada (pátina) se toma verde claro. Muchos buenos arquitectos y usuarios del cobre aprecian este color verde como muy estético, que le da una belleza singular a la obra.

Sin embargo, el cobre puro no puede servir para todos los usos, sobre todo para los que requieren gran resistencia mecánica, buena maquinabilidad, gran resistencia a las temperaturas elevadas, resistencia al desgaste, etc.

En estos casos se debe recurrir a las aleaciones, es decir, a combinaciones del cobre con otros metales como zinc, aluminio, estaño, níquel, hierro, etc.

Los grupos principales de aleaciones de cobre son los siguientes:

Cobres debilmente aleados

Aleaciones con alto contenido de cobre

Latones

Bronces

Cuproaluminios

Cuproniqueles

Alpacas

Existen, además, otras aleaciones que contienen menos del 50% de cobre, tales como el Monel y las aleaciones para resistencias eléctricas.

Es importante también, señalar el papel del cobre como elemento de adición (centésimas o milésimas) a diferentes metales, tales como el acero, el aluminio y el zinc, y también en el caso especial de la fundición.

COBRES DEBILMENTE ALEADOS

Los cobres débilmente aleados son aquellos que poseen bajo contenido de elementos de adición (menos del 1%) y se utilizan cuando alguna de las propie dades de los cobres propiamente dichos es insuficiente.

Como por ejemplo, cuando se requiere mejor:

Resistencia mecánica a temperaturas relativamente elevadas

Resistencia a la corrosión

Soldabilidad

Resistencia al reblandecimiento

Maquinabilidad

Las composiciones de cobres débilmente aleados son:

a) Cobre desoxidado con fósforo, con arsénico.

b) Cobre tenaz con plata.

c) Cobre exento de oxígeno con plata.

d) Cobre con azufre.

e) Cobre con telurio.

Algunos ejemplos de aplicaciones de estas aleaciones son:

Cobre desoxidado con fósforo, con arsénico.

Aparatos y tuberías para Iíquidos y gases relativamente corrosivos.

Tubos y placas tubulares para condensadores que trabajen con agua dulce y pura.

Cobre tenaz con plata.

Construcción de elementos de máquinas eléctricas rotativas.

Placas para fotograbado que hayan de tener larga vida.

Cobre exento de oxígeno con plata.

En Electrónica, para uniones vidrio-metal.

Delgas de colectores.

Cobre con azufre.

Piezas conductoras de corriente obtenidas por torneado.

Remaches, tuercas, tornillos.

Cobre con telurio.

Terminales de transformadores y de disyuntores.

Contactos y conexiones diversas.

ALEACIONES CON ALTO CONTENIDO DE COBRE

Estas aleaciones se utilizan cuando no es indispensable una conductividad eléctrica muy elevada pero se requiere de un material con otras propiedades como las siguientes:

Resistencia a la tracción

Dureza

Resistencia a la corrosión

Resistencia a la oxidación

Son aleaciones con alto contenido de cobre:

a) Cobre-Cadmio y Cobre-Cadmio-Estaño.

b) Cobre-Cromo.

c) Cobre-Berilio y Cobre-Berilio-Cobalto.

d) Cobre-Níquel-Silicio.

e) Cobre-Silicio- Manganeso.

Ejemplos de algunas aplicaciones de las aleaciones con alto contenido de cobre.

Cobre-Cadmio y Cobre-Cadmio-Estaño

Líneas telefónicas

Conductores de líneas de ferrocarriles eléctricos.

La aleación cobre-cadmio proporciona la conducción eléctrica, resistencia a la abrasión necesarias para el transporte de alta velocidad.

Cobre-Bronce-alpaca

Monedas

Cobre con berilio y con Cobalto

Herramientas de cupro-berilio para trabajos en presencia de materiales explosivos.

Matrices para plásticos

Cobre con niquel - silicio -

Piezas para tracción eléctrica.

Piezas varias de contactos eléctricos

Cobre con silicio - manganeso -

Diversas cajas y accesorios para la industria eléctrica.

Artículos que deben permanecer en contacto eléctricos con agua de mar, aguas ácidas o atmósferas corrosivas

LOS LATONES

Los latones son aleaciones a base de cobre y zinc. Contienen de 5 a 46% de este último metal y eventualmente, varios otros elementos en pequeñas proporciones.

El color agradable de los latones, que varía del rosa al amarillo para contenidos crecientes de zinc, su buena resistencia a la corrosión y su aptitud para tratamientos superficiales (barnices transparentes, pátinas, recubrimientos diversos), permiten realizar económicamente objetos de bello aspecto, de larga duración y de mantenimiento fácil.

Dentro de este grupo de aleaciones, se distinguen:

Los Latones Binarios O Latones Propiamente Tales

Los Latones Con Plomo

Los Latones Especiales

LATONES BINARIOS COBRE-ZINC

Los Latones Binarios tienen características muy específicas y sus aplicaciones están relacionadas con el porcentaje de zinc que contenga la aleación.

Bisutería de fantasía.

Discos para monedas e insignias.

Quincallería.

Fundas de balas.

Aplicaciones industriales.

Instrumentos musicales.

Telas metálicas.

Radiadores de automóviles.

Accesorios de fontanería sanitaria.

Arquitectura.

LATONES CON PLOMO

Los Latones presentan grandes ventajas sobre todo para la fabricación de piezas de mecánica. Sin embargo, éstas necesitan frecuentemente un maquinado importante, por lo que se buscó mejorar la maquinabilidad de los latones agregando reducidos porcentajes de plomo (1 a 3%). Desde el punto de vista de la maquinabilidad, los latones con plomo están a la cabeza de todas las demás aleaciones.

La aleación Cobre-Zinc y Plomo tiene variadas aplicaciones que pueden agruparse según la cantidad de Zinc y Plomo que contienen.

Aplicaciones De Los Latones Con Plomo

Piezas roscadas para electrotecnia

Engranajes

Conexiones machos y hembras

Piezas para para circuitos eléctricos instrumentos de precisión

Relojería

Válvulas para bicicletas

Tornos automáticos de gran velocidad

Accesorios para carpintería

Piezas para automóviles

Elementos mecánicos diversos

Accesorios decorativos

Marcos de puertas, ventanas y vitrinas

Rieles para cortinas

Tuercas de radio

LATONES ESPECIALES

Los Latones Especiales se obtienen añadiendo uno o más elementos a los latones simples con el fin de mejorar las características de estos.

Los elementos utilizados industrialmente, además del plomo, son el estaño, aluminio, manganeso, hierro, níquel, silicio y, en pequeñas proporciones, arsénico.

Estos elementos se agregan para mejorar las propiedades mecánicas y aumentar la resistencia a ciertas formas de corrosión.

Entre los Latones Especiales existe una gran variedad, pero los más importantes son los siguientes:

Latón con Aluminio

Latón Almirantazgo

Latón Naval

Latones de Alta Resistencia

La Hélice naval de latón de alta resistencia, es una aplicación de Latón Especial.

Por sus características, los Latones Especiales son utilizados en la fabricación de:

Tubos de Condensadores

Tubos de Evaporadores y de Cambiadores de Calor

Quincallería naval

Engranajes

Tuberías para aire comprimido e hidráulica

Perfiles arquitectónicos

LOS BRONCES

Los auténticos bronces son aleaciones de cobre y de estaño, con contenidos que varían del 2 al 20% de estaño (Sn). Los bronces contienen frecuentemente otros elementos, tales como fósforo, zinc, níquel, plomo.

Al referirnos a esta aleación lo invitamos a revisar lo estudiado en sus clases de Historia acerca de los comienzos de la metalurgia.

Por siglos el hombre sólo conoció el cobre y el oro, los que empleaba en su estado nativo y los trataba como la piedra, es decir, los martillaba de acuerdo con la técnica corriente. Pasó largo tiempo antes de que aprendiera a fundir los metales, a hacer aleaciones y a darles forma. Con la aparición del bronce la metalurgia adquiere gran importancia: trajo transformaciones sociales.

La transformación de las armas, de la piedra al bronce y posteriormente, del bronce al hierro, modificó las relaciones entre los pueblos y favoreció las grandes invasiones. Como consecuencia de esto, desapareció el aislamiento primitivo y se fomentó el comercio.

Se pueden distinguir dos familias de aleaciones de bronces:

Bronces Binarios (Cobre con Estaño)

  • Bronces Forjados

  • Bronces Moldeados

Bronces Complejos (Que tienen un tercer elemento)

  • Bronces con Zinc

  • Bronces con Plomo

Con respecto a las aplicaciones de los Bronces, es útil mencionar las siguientes:

Alambres para telas mecánicas

Tubos flexibles y tubos ondulados

Cadenas

Campanas

Aplicaciones navales

Los usos del Bronce son variados, pero ellos dependen de sus excelentes propiedades:

• Resistencia a la corrosión

Por esto se considera apropiado para la fabricación de accesorios que deben estar en contacto con vapores o productos químicos.

• Buena maleabilidad

• Propiedades mecánicas y eléctricas

LOS CUPROALUMINIOS

Los cuproaluminios son aleaciones de cobre y aluminio con 5 a 11% de aluminio.

Algunos tipos contienen también hierro, níquel o manganeso.

Se caracterizan porque tienen:

• Excelente resistencia a la corrosión.

• Resistencia a la oxidación en caliente, buena resistencia mecánica en caliente y muy buena a temperatura ambiente y a baja temperatura.

• Buenas características de fricción.

• Amagnetismo.

• Ausencia de chispas en el choque.

• Soldabilidad excelente, incluso sobre acero.

• Aspecto atractivo.

LOS CUPRONÍQUELES

Se designa con el nombre de Cuproníqueles a las aleaciones con menos del 50% de níquel. Los Cuproníqueles propiamente dichos tienen contenidos de níquel que varían del 5 al 44%.

Sus propiedades son las siguientes:

Facilidad de conformación en frío y en caliente.

Facilidad de moldeo.

Buenas características mecánicas, incluso a bajas y altas

temperaturas.

Propiedades eléctricas especiales de los tipos con alto contenido

de níquel.

Color plateado y aspecto atractivo.

Buena resistencia a la corrosión.

También, en el grupo de los cuproniqueles se distinguen dos

subgrupos:

Los Cuproniqueles Binarios

Los Cuproniqueles Complejos

Entre sus aplicaciones tenemos:

Conducción de agua de mar, limpia y contaminada, estancada o en circulación rápida.

Protección de maderas.

Aparatos de medida.

Aparatos de calefacción.

Enfundado de cables sumergidos o expuestos a atmósferas corrosivas.

LAS ALPACAS

Las alpacas son aleaciones de cobre, níquel y zinc, en diversas proporciones.

Sus aplicaciones son muy diversas y están basadas, esencialmente, en sus propiedades

físicas, químicas y mecánicas.

Entre las principales utilizaciones están las siguientes:

Piezas para equipos de telecomunicaciones

Orfebrería

Decoración

Arquitectura

Puertas, picaportes, barandillas, apliqués, Iámparas, etc.

Cubiertos

ALPACAS CON PLOMO

Debido a que las alpacas presentan una maquinabilidad relativamente baja, es necesario mejorar esta propiedad agregando plomo.

Las alpacas con plomo pueden ser moldeadas. Sin embargo, se encuentran más frecuentemente, en forma de productos forjados, tales como chapas o barras que se prestan bien al maquinado, como asimismo Ilaves y bulones.

En relación con las alpacas, señalamos que al igual que otras aleaciones, sus aplicaciones son variadas, pero se destacaron algunas áreas como las Telecomunicaciones, Arquitectura, Decoración, etc.

Se señaló también, que debido a su baja maquinabilidad, se la combina con plomo para mejorar esta característica.

OTRAS ALEACIONES DE COBRE

Finalmente, es necesario mencionar que existe un grupo de aleaciones en el que se incluyen algunas de escasa importancia técnica y otras de gran interés, pero que contienen menos del 50% de cobre y que por esta razón no son consideradas como aleaciones de cobre propiamente dicho.

Estas aleaciones se emplean cuando se necesita un material que tenga las siguientes características:

Gran resistencia mecánica

Buena maquinabilidad

Gran resistencia a las temperaturas elevadas

Resistencia al desgaste

Conclusiones

• Es insustituible en muchas aplicaciones para las que la resistencia a la corrosión es un factor esencial.

• Tiene propiedades muy importantes tales como la conductividad de la electricidad y el calor.

• Tiene muchas aplicaciones en arte y decoración debido a su color cálido.

• Presenta gran maleabilidad que facilita su trabajo.

• Cuando se trabaja en aleaciones nos aporta una buena gama de cualidades que lo hacen especial para determinadas operaciones

Bibliografía

Libro: Fundamentos de manufactura Moderna

Autor: Mikell P. Groover

Editorial: Prentice hall

Impreso en Mexico

Edicion en Español

http://www.procobre.cl

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