capitulo 7 cobre y aleaciones

7/15/2019 Capitulo 7 Cobre y Aleaciones

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Metalurgia Fsica Captulo 7 Cobre y sus Aleaciones

7. COBRE Y SUS ALEACIONES

7.1 Obtencin y Tipos de Cobre

El cobre se obtiene a partir de minerales sulfurados (80%) y de minerales oxidados (20%), los primeros

se tratan de pirometalurgia y los segundos de hidrometalurgia.

El proceso de tratamiento de los sulfuros se puede resumir de la siguiente forma:

Chancado. El mineral transportado de la mina es reducido de tamao mediante trituracin en mquinas

chancadoras en etapas sucesivas, como son etapa primaria, secundaria y terciaria al final de la cual el mineral

ha sido reducido en su dimetro en aproximadamente media pulgada, Figuras 7.1-1, 7.1-2 y 7.1-3.

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Molienda Hmeda. Al metal chancado se le agrega agua y algunos reactivos, para luego ser cargados en

molinos de barras o de bolas, conteniendo cerca de 200 ton de bolas de acero. El mineral tiene a la salida un

dimetro promedio de 0,2 mm. Este proceso se conoce con el nombre de molienda hmeda. La pulpa as

producida pasa continuamente por un cicln separador que retorna las partculas ms gruesas al molino,

Figuras 7.1-4, 7.1-5 y 7.1-6.

Figura 7.1-1. Esquema de Chancado.

Figura 7.1-3. Camin descargando mineral en elchancador.

Figura 7.1-2. Vista superior de un chancadorprimario. 127


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Concentracin por flotacin. La concentracin de la pulpa

se realiza en celdas de flotacin, Figura 7.1-7. Insuflando

aire y mediante agitacin mecnica, sumado a la adicin

de reactivos, se captan las partculas ricas en cobre las

cuales pasan a formar una espuma que se ubica en la parte

superior de la celda, por donde sale, Figura 7.1-8, y

contina a las etapas siguientes del proceso. El

Figura 7.1-4. Diagrama de un molino de bolas.Figura 7.1-5. Vista interior de un molino de bolas.

Figura 7.1-6. Vista de los molinos de bolas de Chuquicamata.

Figura 7.1-7. Diagrama de celda de flotacin.128


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material pobre en cobre, llamado cola, decanta y sale por el fondo de la celda y es conducido a tranques de

relave donde se deposita. En una etapa posterior de flotacin se separa el concentrado de cobre de la

molibdenita.

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Secado de la pulpa. Los

concentrados de cobre provenientes

de la planta de flotacin contienen

mucha agua, la cual debe ser

reducida. El proceso se inicia en losdecantadores, Figuras 7.1-9 (a) y 7.-

10. La pulpa espesa que sale del

fondo del decantador se lleva a

filtros que reducen la humedad de un

50% a un 16%, Figura 7.1-9 (b),

quedando un "queque" que se enva

Figura 7.1-9. Esquema de: (a) Decantador; (b) Filtracin; (c) Secador.

Figura 7.1-10. Vista decantadores Chuquicamata.

Figura 7.1-8. Vista de las celdas de flotacin del mineral de LaEscondida.

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(a) (b)

(c)


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a fundicin de concentrados. Previamente a la fundicin se baja la humedad hasta un 5 u 8% en un horno

secador, Figura 7.1-9 (c).

Figura 7.1-12. Diagrama de flujo de la Fundicin Flash.

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Fusin-conversin. Los procesos de

fusin-conversin de concentrados de cobre

pueden considerarse qumicamente como

una progresiva oxidacin del hierro y del

azufre contenidos en el concentrado segnlas siguientes reacciones:

1) FeS (l) + Cu2O (l) Cu2S (l) + FeO (l)

Figura 7.1-11. Diagrama de Horno Reverbero.

Figura 7.1-13. Vista de un Horno Flash.

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2) Cu2S (l)+ 2 Cu2O (l) 6 Cu (l)+ SO2 (l)

Las principales alternativas establecidas a escala industrial para efectuar la fusin de concentrados son el

Horno de Reverbero,

Figura 7.1-11, y la Fusin Flash, Figuras 7-1-12 y 7.1-13. En la fusin flash el concentrado se suspende en

gas oxidante mediante fusin y conversin parcial del concentrado, por reaccin en el oxgeno en la llama

flash. Por otra parte, el horno de reverbero es un tipo de bath smelting en que el concentrado se funde

agregndolo a un bao fundido. En este ltimo se separan la escoria, que es la capa superior de menor

densidad, del eje o mata, que es la capa inferior ms pesada que contiene el cobre y los metales nobles,

contiene 40 a 50% de cobre.

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Hornos Convertidores. El proceso de purificacin

del eje o mata contina en los hornos convertidores,

Figuras 7.1-14 y 7.1-15, stos son cilindros largos que

descansan horizontalmente sobre cilindros que le

permiten girar en un arco de 45. Al convertidorcargado con eje y fundente se le inyecta aire a presin

por medio de toberas, producindose as reacciones

qumicas exotrmicas formando una intensa llama.

Estas reacciones corresponden a la oxidacin del

azufre, del hierro y de algunas impurezas como: As,

Sb, Bi, Pb, Sn y Cd, as por ejemplo, el azufre se

elimina en forma de SO2 gaseoso, y las escorias

fundidas retornan al reverbero para recuperar el cobre que pueda quedar. El cobre que proviene de los

convertidores se llama cobre blister ycontiene un 99,4% de cobre. El cobre

blister puede ser moldeado como tal o ser

enviado a hornos de nodos, Figura 7.1-16.

Figura 7.1-14. Diagrama Horno Convertidor.

Figura 7.1-15. Convertidor Teniente.

Figura 7.1-16. Moldeo de cobre blister.

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Hornos de nodo, refinacin a fuego. Los hornos de

nodo tienen por objeto eliminar el mximo posible de las

impurezas contenidas en el cobre blister mediante

pirometalurgia, refinacin a fuego. Para este tipo de

refinacin se ocupan hornos cilndricos y hornos dereverbero. Los hornos se cargan con blister lquido que

viene de los hornos convertidores, la remocin de

impurezas se lleva a cabo mediante oxidacin y

escorificacin. La oxidacin se efecta mediante soplado

de aire, el cual oxida las impurezas, como el bao de cobre

queda saturado de oxgeno, ste se extrae inyectando

petrleo diesel y vapor por toberas o introduciendo en el

horno grandes troncos de madera

verde, esto ltimo se conoce comopoling. Luego de la refinacin a

fuego se obtiene un cobre de

aproximadamente 99,60% a 99,92%

de pureza. El cobre as refinado es

moldeado en forma de nodo, luego

de enfriados, estos son enviados a la

refinera electroltica, Figura 7.1-17.

Figura 7.1-17. Detalle de la Rueda de Moldeode El Teniente.

Figura 7.1-18. Nave Electroltica.

Figura 7.1-19. Diagrama de la Refinacin Electroltica.

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Refinacin Electroltica. Se lleva a cabo en estanques que contienen una solucin de sulfato de cobre y

cido sulfrico, Figuras 7.1-18 y 7.1-19. Se colocan alternadamente los nodos de cobre y lminas de cobre

puro, stas son las lminas iniciales o ctodos iniciales. Al aplicarse corriente elctrica continua, los nodos

se disuelven y pasan a la solucin y de all los ctodos iniciales toman iones de cobre engrosndose. As,

en un

perodo aproximado de 14 das se forman ctodos de cobre con pureza de 99,95% los cuales pesan

aproximadamente 135 kg. El ctodo es el principal producto comercial y se vende como tal.

Una fraccin de los ctodos se funden nuevamente para producir wirebars, Figura 7.1-20, cuya principal

ventaja es tener la forma apropiada para ser introducidos directamente en los laminadores donde se inicia el

Figura 7.1-20. Wirebars.

Figura 7.1-21. Moldeo de wirebars.

Figura 7.1-22. Piscinas de Lixiviacin.

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proceso de produccin de alambres conductores de electricidad. Para producir los wirebars se funden los

ctodos en un horno tipo reverbero o en hornos verticales, para esta operacin es necesario usar combustibles

muy bajos en azufre. Si se utiliza un horno de reverbero, una vez fundido el cobre sigue una etapa de

oxidacin con lanzas de aire, una eliminacin de escoria y una reduccin final con troncos de madera verde,

en cambio en el horno vertical slo es necesario fundir el mineral. El cobre as obtenido tiene una pureza de al

menos 99,98% de Cu y una conductividad elctrica de 100 a 101,5 IACS, luego se moldea de la forma

mostrada en la Figura 7.1-21.

Barros Andicos. Algunas impurezas contenidas en el nodo cuando ste se disuelve por electrlisis caen al

fondo de los estanques, Figura 7.1-22, formndose un lodo llamado barro andico, ste contiene oro, plata,

selenio, teluro y algo de cobre. Estos barros son tratados en plantas de metales nobles, en ellas dichos metales

son recuperados como Metal Dor, aleacin de 95-99% de plata, 1-2% de oro y pequeas cantidades de

paladio y platino, todos estos elementos pueden separarse despus mediante procesos electrolticos y

qumicos.

7.1.1 Tratamiento de Minerales Oxidados

Los minerales son reducidos de tamao por chancado y molienda. En la fase siguiente el cobre es

separado de los minerales que lo contienen, mediante lixiviacin. Se deposita el mineral en grandes recipientes

con una solucin de cido sulfrico, el cual va lentamente disolviendo el cobre e incorporndolo a la solucin

como sulfato de cobre.

Como resultado de la lixiviacin se obtiene por una parte mineral slido con muy poco cobre, llamado

ripio, el cual luego de un lavado se lleva a botaderos, y por otra parte, una solucin rica en cobre, 40 gr. de Cu/lt.

Hay diversos mtodos para extraer el cobre de la solucin lixiviada, los ms usados en Chile son:

a) Cementacin: usado principalmente en la pequea y mediana minera, consiste en colocar la solucin de

lixiviacin en contacto con chatarra de hierro. El hierro reemplaza al cobre en la solucin y ste precipita

como polvo fino llamado cemento de cobre. La solucin con sulfato de hierro y sin cobre se descarta.

b) Precipitacin Electroltica: aplicada en la gran minera. Las soluciones enriquecidas por lixiviacin son

llevadas a una serie de estanques electrolticos dispuestos en forma de cascada. Cada estanque contiene

nodos de plomo antimonal, (polo positivo), y ctodos iniciales, stas son lminas delgadas de cobre

electroltico, que son engrosadas por el proceso y conforman el polo negativo. Los nodos y ctodos son

colocados en forma alternada de manera tal, que siempre quede un ctodo entre dos nodos insolubles. Al

pasar la corriente por la solucin entre nodo y ctodo, se deposita cobre sobre el ctodo o lmina inicial,

mientras que en el nodo se desprende oxgeno y se genera el cido sulfrico. En cinco das el ctodo

adquiere unos 70 kg. y su pureza es de 99,2 a 99,4% de Cu. La solucin, pobre en cobre y rica en cido

sulfrico, puede ser sacada del bao y retornada a la planta de lixiviacin.

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Tal como en el caso de los minerales sulfurados, el ctodo puede ser refundido y refinado en un horno

de reverbero, elevndose su pureza a 99,96% de Cu, este cobre se moldea en forma de wirebars u otras formas

comerciales.

La Figura 7.1-23 muestra un diagrama del ciclo de fabricacin de los minerales y chatarras de cobre

hasta los productos acabados.

7.2 Cobre Puro en Productos Comerciales

Los procesos de colada introducen oxgeno al cobre. La unidad utilizada

para indicar su cantidad es "partes por milln" (ppm), donde 100 ppm = 0,01%.

Figura 7.2-1. Cobre con partculas dexido.

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El oxgeno produce partculas de Cu2O, que aparecen como glbulos dispersos

en el cobre, Figura 7.2-1.

El oxgeno por una parte tiene una influencia benfica sobre la

conductividad elctrica, porque se combina con las impurezas en solucin slida

en el cobre que la reducen, por otra parte si el cobre se somete a temperaturas

superiores a 300C en atmsfera reductora que contiene hidrgeno, se forma

vapor de agua en los bordes de grano, produciendo una fuerte fragilizacin del

cobre, Figura 7.2-2.

Los tipos de cobre puros comerciales son los siguientes:

Figura 7.2-2. Fragilizacin del Cu que

contiene O por calentamientosobre 300C en atmsfera ricaen H.

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Cobre electroltico Cu-a1, (Cu ETP: Electrolic Tough Pitch). Pureza mnima

99,90% de Cu, 200 a 400 ppm de O. Conductividad elctrica en estado

recocido de 100 IACS.

Cobre Trmico, (refinado a fuego), Cu-a2: Cu-FRHC (Fire Refined High

Conductivity). Es semejante en composicin y conductividad elctrica al Cu-

a1, pero contiene mayor cantidad de impurezas como Se, Te y Pb.

Cobre Trmico, Cu-a3 (Cu-FRTP: Fire Refined Tough Pitch). Es menos

puro que el Cu-a2, composicin mnima de cobre 99,85% de Cu y su

conductividad no est garantizada.

Cobres desoxidados. Pueden ser cobres refinados electrolticamente otrmicamente. La desoxidacin se logra en la fundicin agregando fsforo en

forma de fosfuro de cobre. La desoxidacin elimina la fragilizacin en

atmsferas reductoras de alta temperatura, teniendo adems, buena

soldabilidad. El exceso de fsforo queda disuelto en solucin slida en el

cobre, produciendo una fuerte reduccin de la conductividad elctrica. Hay

dos tipos de cobre con contenido mnimo de 99,90%, los cuales se nombran a

continuacin:

.1 Cobre Cu-b1 (Cu-DHP: desoxidado con fsforo y alto fsforo residual).

Contiene 130 a 500 ppm de P con una conductividad elctrica de 70 a 90

IACS. Se utiliza en tuberas de cobre y en planchas para techumbres.

.2 Cobre Cu-b2 (Cu-DLP: desoxidado con fsforo y bajo fsforo residual).

Contiene 40 a 120 ppm de P y una conductividad elctrica de 85 a 98

IACS. Se usa en soportes de componentes elctricos.

Cobres libres de Oxgeno. Estos se producen a partir de cobre electroltico y

se funden en hornos de atmsfera inerte o con desoxidante en cantidades muy

controladas. Tienen alta conductividad elctrica, alta deformabilidad e

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insensibilidad a las atmsferas reductoras. Son caractersticos del cobre libre

de oxgeno los siguientes tipos:

.1 Cobre Cu-c1 (Cu-OF: Oxigen Free). Contenido mnimo de Cu es de

99,95%, poseen una conductividad elctrica, una vez recocido, de 100

IACS.

.2 Cobre Cu-c2 (Cu-OFE: Oxigen Free Electronic Grade). Contenido mnimo

de Cu es de 99,99%, poseen una conductividad elctrica, una vez recocido,

de 101 IACS.

7.2.1 Propiedades MecnicasEl cobre puro comercial slo puede endurecerse por deformacin, siendo

sus principales propiedades mecnicas las siguientes:

Estado TensinMxima(MPa)

Tensin deFluencia

0,2% (MPa)

% ElongacinRuptura

0 230 60 45

duro 260 190 25

duro 300 250 144/4 duro 350 320 6

7.2.2 Procesamiento del CobreTratamientos Trmicos. La Figura 7.2-3 muestra la variacin de dureza en

funcin del tiempo a diferentes temperaturas para cobre puro 4/4 duro.

El cobre duro recocido se presenta muy bien para operaciones en fro

como son: doblado, estampado y embutido. Su aptitud para el mecanizado es

slo un 20 % del latn con plomo.

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Todas las tcnicas de soldadura y de brasage son aplicables sin restriccin

en los cobres desoxidados: Cu-b1 y Cu-b2 y exentos de oxgeno Cu-c1 y Cu-c2.

En las variedades que contienen oxgeno, la presencia de hidrgeno, cuya

difusin es muy elevada a altas temperaturas, produce fragilizacin por

acumulacin de vapor de agua en los bordes de grano. En estos casos el brasage

a baja temperatura es aplicable sin restriccin.

Figura 7.2-3. (a) Influencia de la temperatura y de la duracin del recocido sobre la dureza del Cu-a1 en el estado H14; (b) Influencia de la temperatura de recocido y del % de deformacinen fro previa, sobre la dureza del Cu-a1 en recocidos de una hora.

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7.3 Aleaciones de Cobre

A continuacin se hablar de cobre con contenidos de aleacin menores a2,5%. Estas pequeas cantidades de elementos de aleacin mejoran las

caractersticas mecnicas o de aptitud para el mecanizado del cobre, sin alterar

excesivamente su conductividad elctrica, trmica y su resistencia a la corrosin.

Copper & High

Copper AlloysBrasses & Bronzes

Other Copper

AlloysCoppers

Cadmium Copper

Beryllium Copper

Chromium Copper

Brasses

Silicon Brasses

Tin Brasses

Leaded Brasses

Phosphor Bronze

Aluminum Bronzes

Copper Nickels

Nickel Silvers

Copper Titanium

Copper Tins

Leaded Coppers

7.3.1 Elementos de aleacin que favorecen el endurecimiento pordeformacin

Aleacin Estado Tens.Mx.MPa

TensinFluencia

MPa

%Elongacin

ConductIACS

Cu-a1 0 230 60 45 100

Cu-a1 H14 350 320 6

CuCd (1,0%) 0 260 80 45 86

CuCd (1,0%) H14 520 480 3

CuCd O, 8%

Sn O,6%

0 280 67

CuCd O, 8%

Sn O,6%

H14 760 62

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http://www.copper.org/resources/properties/microstructure/coppers.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/cad_cu.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/be_cu.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/chrom_cu.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/brasses.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/sil_brasses.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/tin_brasses.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/lead_brasses.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/phos_bronze.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/al_bronzes.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/cu_nickel.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/ni_silver.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/cu_titanium.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/cu_tin.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/cu_leaded.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/coppers.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/cad_cu.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/be_cu.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/chrom_cu.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/brasses.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/sil_brasses.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/tin_brasses.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/lead_brasses.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/phos_bronze.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/al_bronzes.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/cu_nickel.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/ni_silver.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/cu_titanium.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/cu_tin.htmlhttp://www.copper.org/resources/properties/microstructure/cu_leaded.html


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Los cobres con cadmio se usan para lneas elctricas areas de fuerte

solicitacin mecnica, catenarias y cables de contacto para trolebs.

7.3.2 Elementos que elevan la temperatura de recristalizacinEstos elementos permiten que se mantenga el endurecimiento por

deformacin cuando se eleva la temperatura. Todos los elementos que se

disuelven en solucin slida elevan la temperatura de recristalizacin, as por

ejemplo:

Un 0,8% de Ag eleva la temperatura de recristalizacin en 150C.

Un 0,12% de Sn permite que el cobre pueda calentarse hasta 350C por

una hora sin perder sus caractersticas mecnicas. Esta aleacin es interesante

para fabricar soportes de componentes electrnicos como son: transistores,

diodos o circuitos integrados.

7.3.3 Elementos que favorecen el mecanizado

El azufre y el plomo mejoran la aptitud para el mecanizado, tanto el plomo

como el azufre tienen muy baja solubilidad en el cobre, separndose como

plomo, en el primer caso, o como Cu2S, en el segundo. Estos colaboran a

fracturar las virutas en los procesos de mecanizado.

El cobre con azufre mantiene alta conductividad elctrica, alrededor de 94

IACS.

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7.3.4 Cobres endurecibles por precipitacin

Ejemplo de estos son los Cobres al cromo y al cromo-circonio. Las

Figuras 7.3-1 y 7.3-2 muestran los diagramas de fase Cu-Cr y Cu-Zr.Datos Diagrama Cobre - Cromo

Punto A B C D EC 1083 1070 1070 1470 1070

%Cr 0 0.65 1.5 37 100Punto F G H I

C 1000 800 600 400%Cr 0.4 0.15 0.07 < 0.03

LL+Cr

+Cr

L+

A

B

I

H

1200

1100

1000

900

800

700

600

500

400

G

F

C E

D

Temp C

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

% en Peso de Cromo

Figura 7.3-1. Diagrama de fase Cobre-Cromo.

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Datos diagrama Cobre - Circonio

Punto A B C D EC 1083 965 965 965 900

% Zr 0 9 0.15 9 0.08Punto F GC 750 500

% Zr 0.03 0.01

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1100

1000

900

800

700

600

500

Temp C

Lquido

Lquido +

+ ZrCu3

C

B

E

D

A

F

G

965

0 0.1 0.2 0.3 0.4

% en Peso de Circonio

Figura 7.3-2. Diagrama de fases Cobre-Circonio.

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a) Aleaciones Cobre-Cromo

Estas aleaciones contienen 0,5 a 1% de Cr. A 100C se disuelve un 0,37% de Cr

en el cobre, al bajar la temperatura baja tambin, fuertemente, la solubilidad

del Cr permitiendo as el endurecimiento por precipitacin, esto se realiza

mediante un tratamiento de solucin a 1000C, temple y precipitacin a

500C.

La aleacin binaria Cu-Cr es susceptible a decohesiones bajo la accin de una

tensin aplicada por perodos prolongados entre 80C y 300C, siendo adems

sensible al efecto de entalladura. Las aleaciones de Cobre-Cromo-Circonio

(CuCrO, 8ZrO, 15) eliminan el riesgo a la decohesin a alta temperatura que

tienen las aleaciones cobre-cromo.

Estos dos tipos de aleacin, es decir, las de Cobre-Cromo y las de Cobre-Cromo-

Circonio se utilizan cuando se desea alta conductividad elctrica o trmica,

asociada a altas resistencias en caliente; es tpico su uso en: electrodos de

soldadura por resistencia, barras de colectores, contactores de potencia,

equipos siderrgicos y resortes conductores.

b)Aleaciones de Cobre-Circonio

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Contienen tpicamente desde un 0,1% a 0,2% de Zr, de acuerdo con el

diagrama de fases, Figura 7.3-2, para endurecimiento por precipitacin es

intil agregar una mayor cantidad de Zr.

La resistencia mecnica de esta aleacin se conserva hasta 300C y disminuye

levemente hasta llegar a los 500C. Se utiliza cuando se desea alta resistencia

mecnica con alta conductividad elctrica.

Sntesis de propiedades mecnicas de las aleaciones Cu-Cr y Cu-Zr con

tratamientos termomecnicos:

Aleacin Estado Tens. Mx.(MPa)

TensinFluencia(MPa)

%Elongacin

ConductividadIACS

Cu-Cr Precipitado 400 300 15 80

Cu-Cr Precipitado

+

Def. en fro

520 450 6 80

Cu-Zr Precipitado+

Def. en fro

370 300 5 92

Para el tratamiento de endurecimiento por precipitacin, las anteriores

aleaciones son sometidas a las siguientes temperaturas de solucin y de

envejecimiento respectivamente, cabe sealar que el envejecimiento se practica

por 2 3 horas:

Aleacin Temp.Solucin

Temp.Envejecimieto

Cu-Cr y

CuCrZr

950-1000 450-500

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Cu-Zr 925 400-500

7.3.5 Latones

Los latones son aleaciones en base a Cobre y Zn, contienen tpicamenteentre 5 y 45% de Zn y eventualmente otros elementos como: Pb, Sn, Mn, Al, Fe,

Si, Ni y As, los cuales en pequeas proporciones mejoran propiedades

especficas.

Punto A B C D EC 1083 902 902 902 834

%Zn 0 32.5 36.8 37.6 56.5Punto F G H I JC 834 454 454 468 468150 60.0 39.0 45.5 48.9 57.5

Punto K L M NC 150 200 200 200

%Zn 33.6 46.6 50.6 59.1

150


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a) Latonesbinarios

Son las aleaciones Cu-Zn. La Figura 7.3-3 muestra el diagrama de fases Cu-

Zn.

Aquellos latones con contenidos de Zn menores al 33% son monofsicos,

ya que presentan solamente la fase , en cambio, por sobre el 36% de Zn los

latones son bifsicos con fases y , la primera fase tiene estructura

cristalina FCC, (cbica centrada en las caras) y la segunda est formada por

dos redes simples cbicas entrelazadas. Los latones entre 25% y 36% de Zn

poseen las mejores caractersticas de ductilidad y tienen las ms amplias

aplicaciones. Sobre los 454C la fase se transforma en , la cual tiene una

estructura cristalina BCC, (cbica centrada en el cuerpo).

La fase es muy maleable en fro, permitiendo grandes deformaciones

por laminado, repujado, estirado y forja en fro. Tanto la resistencia a la

151

% Zinc

Figura 7.33 Diagrama defases Cu - Zn


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traccin, (tensin mxima), como la tensin de fluencia y la deformacin a la

ruptura aumentan con el contenido de Zn, Figura 7.3-4.

La fase es dura y frgil. Cabe sealar que su presencia es deseable cuando

se buscan buenas propiedades para el mecanizado. Por otra parte, la fase

resulta de la fase sobre los 454C, se caracteriza por ser maleable a alta

temperatura, por tanto latones con fase son muy adecuados para el

conformado plstico a altas temperaturas. Las Figuras 7.3-5 y 7.3-6 muestran

las microestructuras de latones monofsicos, (fase ), y bifsicos, (fases y

), respectivamente.

152


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Figura 7.3-4. Propiedades mecnicas de los latones en funcin delporcentaje de Zinc.

Figura 7.3-5 Microestructura delatn monofsico, fase .

153

700

600

500

400

300

200

500

400

300

200

100

0

0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 35

Zinc % en masa Zinc % en masa

0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 35 40Zinc % en masa Zinc % en masa

70

60

50

40

30

20

10

0

H11

H12

H14

H15

200

180

160

140

120

100

80

60

40

H15

H14

H13

H12

H11

H15H14

H12

H11

Lmite Elstico 0.2%

(MPa)

Dureza Vickers (HV)

Carga a Ruptura

(MPa)

Elongacin

% en 50mm

H15

H14

H12

H11


29/47


b)Latones al plomo

Figura 7.3-6. Microestructura de latnbifsico Cu-Zn40; fase (zonasclaras) y (zonas obscuras).Material laminado en caliente.

154


30/47


El plomo es prcticamente insoluble en los latones y se separa en forma de finos

glbulos, favoreciendo la fragmentacin de las virutas en el mecanizado.

Tambin el plomo tiene un efecto de lubricante por su bajo punto de fusin,

disminuyendo el desgaste de la herramienta de corte.

Algunas aleaciones tpicas son:

CuZn35Pb2, aleacin monofsica apta para deformacin en fro, como por

ejemplo para conformado en matriz y forja en fro, acepta fcilmente

operaciones posteriores de mecanizado.

CuZn39Pb2, aleacin bifsica, apta para conformado en caliente, y para

mecanizado en fro.

CuZn40Pb3, aleacin bifsica, muy buena para mecanizado a altas velocidades.

c) Latones complejos

Algunas aleaciones interesantes son:

CuZn30AS: el As evita la deszincificacin, se usa principalmente en

intercambiadores de calor en aguas dulces.

CuZn29Sn1 (latn almirantazgo): la presencia de 1% de Sn favorece la

formacin de una capa protectora de SnO2. Se usa en tubos de

intercambiadores de calor y evaporadores en contacto con aguas cidas o

poludas, pero poco salinas.

CuZn22Al2: el Al proporciona buena resistencia a la corrosin-erosin. Se

usa para intercambiadores de calor con agua dulce o de mar.

CuZn40Pb2Al1: Aleacin tpica para grifera, es muy usada para fundicinen coquilla.

CuZn23Al4Mn3: Aleacin de fundicin de alta resistencia.

155


31/47


7.3.5.1 Procesamiento de latones

Calentamientos por 0,5 a 2 horas a temperaturas entre 250 y 325 C se

pueden utilizar para eliminar tensiones residuales, esto es importante cuando se

desea evitar la corrosin bajo tensin a la cual son sensibles los latones con msde 15 % Zn en medios que contienen amonaco.

Los recocidos para recristalizar se pueden estimar de la Figura 7.3-7.

156


32/47


Figura 7.3-7. Temperatura de recocido, duracin delrecocido, % de reduccin de rea en fro previa delatones Cu-Zn33

157

Influencia del % de reduccin de rea previa enfro y de la duracin del recocido sobre latemperatura de recristalizacin de los latones.

Duracin del recocido

Tasa de

reduccin

(%)


33/47


El mecanizado

La siguiente tabla da una comparacin para diferentes aleaciones,

manteniendo la velocidad de corte constante:

Aleacin Veloc de Corte

m/min

Indice

MecanizadoCuZn40Pb3 610 100

CuZn39Pb2 520 85

CuZn28 310 51

CuSn8 225 37

Acero

Mecanizado

195 32

Acero Aleado 117 19

Fundicin

Ferrtica

105 17

Acero Templado 27 4

Soldadura

Todos los tipos de latn puede ser soldados por brasage al estao. Los

latones binarios se prestan bien para los procedimientos tradicionales de

soldadura. La soldadura con arco y oxiacetilnica deben ser conducidas con

cuidado para evitar evaporacin de Zn, la soldadura de punto o por resistencia es

ms fcil mientras mayor sea el % de Zn, porque as aumenta la resistividad, en

cambio, los latones al plomo se sueldan mal.

158


34/47


7.3.6 BroncesLos bronces son aleaciones de cobre con estao, an cuando se les suele

utilizar ms ampliamente para otras aleaciones de cobre. La aleaciones

industriales de bronce tienen en general entre 3 y 20 % de Sn. La fusin delbronce debe ser hecha en un medio reductor para desoxidar antes de la colada,

esto se logra mediante el fosfuro de cobre, por lo tanto, todos los bronces

retienen un 0,03 a 0,1 % de P.

La Figura 7.3-8 muestra parte del diagrama Cu-Sn. El diagrama de

equilibrio (lneas llenas) se observa solamente con enfriamientos muy lentos, en

la prctica industrial es aplicable el diagrama de lneas de trazos. Los bronces

son monofsicos (fase ) slo si el contenido de Sn es menor al 4%, para

contenidos mayores aparece la fase .

Figura 7.3-8 Diagrama de fases del Cobre-Estao.

159


35/47


La fase , que es rica en cobre, es maleable en fro, mientras que la fase es

dura y frgil, y se busca eliminarla mediante homogenizacin. Las Figuras 7.3-9

(a) y (b) muestran las microestructuras de un bronce CuSn6P, en la Figura 7.3-9

(a) se muestra la estructura dendrtica de colada continua, mientras que en la

Figura 7.3-9 (b) se muestra la misma aleacin despus de un proceso de

homogenizacin.

Los bronces tienen buena resistencia a la corrosin en atmsferas

industriales y marinas, son resistentes al desgaste y tienen fuerte resistencia

mecnica, adems son poco sensibles a la corrosin bajo tensin y al pitting, y

son excelentes para producir piezas fundidas.

a) Broncesdelaminacin

A continuacin se nombrarn los tipos ms importantes de bronces para

laminacin:

Bronces binarios. Utilizados principalmente para la laminacin en fro, la fase

debe ser muy limitada, por eso estos bronces contienen entre 2 y 9 % de Sn.

Las principales aleaciones son: CuSn4P, CuSn6P y CuSn9P. Son muy

adecuados para la laminacin en fro, pero no as para la laminacin en

Figura 7.3-9. Bronce CuSn6P: (a) Material de colada contnua; (b)Material homogenizado.

160

(a) (b)


36/47


caliente, por esto se prefiere producirlos a partir de coladas continuas de

alambrones o de bandas delgadas que luego se laminan en fro.

Bronces fosfricos. estos latones tienen de 0,1 a 0,2 % de P, con el cual se

produce Cu3P, ste aumenta la dureza y la resistencia al desgaste del bronce.

Bronces al Zinc. La adicin de 4 a 10 % de Zn disminuye la proporcin de fase

, mejorando la maleabilidad de la aleacin pero disminuyendo la resistencia

al desgaste. Si adems se agrega un 4% de Pb mejoran las propiedades de

mecanizado.

b)Bronces de fundicin

Contienen de un 4 a un 13 % de Sn con adiciones de Zn, Pb y P.Bronces binarios. Las caractersticas mecnicas de estas aleaciones dependen de

la cantidad de fase , al aumentar esta fase disminuyen la tensin mxima y el

alargamiento a la ruptura. La aleaciones CuSn12 y CuSn8 son excelentes para

ser moldeadas.

Bronces al plomo. A estas aleaciones se les agrega hasta un 7% de plomo para

mejorar la aptitud para el mecanizado. Con porcentajes entre 6 y 30% de

plomo, como por ejemplo las aleaciones CuSn5Pb20 y CuSn10Pb10, se

mejora la resistencia del bronce a la friccin, usndose principalmente para

bujes o cojinetes.

Bronces al zinc y al plomo. Si se agrega Zn como desoxidante en el metal

lquido, mejora la moldeabilidad de la aleacin. Estos bronces se usan en

grifera de agua a presin, en grifera de vapor y en piezas que deben ser

estancas al petrleo y gasolina. La estanqueidad es provista por el plomo.

Principales aleaciones de este tipo son: CuSn5Pb5Zn5, CuSn7Pb6Zn4.

161


37/47


7.3.6.1 Propiedades mecnicas de los bronces

Los bronces binarios pueden adquirir alta resistencia mecnica mediante la

deformacin en fro.

En el estado recocido las caractersticas mecnicas son funcin del tamao

del grano, ver Figura 7.3-10.

7.3.7 CuproaluminiosLos cuproaluminios son aleaciones que contienen entre 4 y 14 % de

Aluminio. El diagrama de fases de equilibrio se muestra en la Figura 7.3-11.

Figura 7.3-10. Variacin de propiedades mecnicas debronces en funcin del tamao del grano.

162

70 65 60 55

50

20

10

5

2Carga a Ruptura

Elongacin

Elongacin

Carga a Ruptura

450 400 350 300

CuSn9P CuSn4P

Tamao degrano m

Elongacin(%A)

Carga a Ruptura(MPa)


38/47


Figura 7.3-11. Diagrama de fases de equilibrio dealeaciones Cobre-Aluminio, (sector rico en Cu).

163


39/47


a) Cuproaluminiosmonofsicos ()La solubilidad slida del Aluminio en el Cobre a 565C llega hasta un 9,4% de

Al, si bien en la prctica los cuproaluminios monofsicos (), llegan hasta el

8% de Al.

Se caracterizan por ser resistentes mecnicamente y aptos para la deformacin

en fro, presentando adems buena resistencia a la corrosin. Son

particularmente adaptados para la deformacin en fro, permitiendo la

fabricacin de laminados y de tubos, dado que su endurecimiento por

deformacin es ms elevado que el de los latones. La deformacin en caliente

slo es posible si las impurezas (Pb, Si) son estrictamente controladas.

La resistencia a la corrosin atmosfrica de estas aleaciones es buena y presentan

un hermoso color dorado. Respecto de la corrosin en agua de mar resisten

bien la corrosin selectiva llamada desaluminizacin. Estas aleaciones son

menos sensibles que los latones a la corrosin bajo tensin en ambiente

amoniacal, sin embargo son muy sensibles a la corrosin intergranular bajo

tensin en presencia de vapor sobrecalentado, agua de mar o salmueras

calientes, este fenmeno se reduce agregando de 0,15 a 0,3 % de Sn.

Las principales aleaciones son: CuAl6 y CuAl6Ni2 para aleaciones monetarias,

CuAl8 y CuAl7Fe2 para placas tubulares de intercambiadores de calor.

b)Cuproaluminios bifsicos

164


40/47


Cuando el porcentaje de Aluminio supera el 8%, sobre 900C aparece la fase

y se entra en una regin bifsica. Sobre 9,5 % de Al aparece la posibilidad

de la transformacin eutectoide apareciendo la fase 2, que es dura y fragiliza

el material.

Si una aleacin con fase es templada rpidamente hasta temperatura

ambiente se produce una transformacin martenstica similar a la de los

aceros, consistente en una fase metaestable de estructura tetragonal llamada

.

Como ejemplo consideremos una aleacin CuAl9,8 enfriada de diferentes

maneras a partir de 900C, luego de calentamientos de 1 hr:

- Si se templa hasta temperatura ambiente la estructura ser casi pura

martensita , tendr alta resistencia y baja ductilidad.

- Si se enfra lentamente hasta 800C o hasta 650C y luego se templa hasta

temperatura ambiente, se formar una cantidad menor de martensita ,

disminuyendo su resistencia y aumentando su ductilidad.

- Sin embargo, si se enfra lentamente hasta 500C, debajo de la temperatura

eutectoide, y luego se templa hasta temperatura ambiente, la fase se

descompone en + 2, la que se denomina "perlita de cuproaluminio", la

aleacin tendr en este caso baja resistencia y baja ductilidad, esto debido a la

presencia de la fase 2 que es frgil. La fase 2 se evita en las aleaciones

industriales por su efecto daino para la ductilidad.

Las diversas microestructuras obtenidas se muestran en la Figura 7.3-12.

165


41/47


El tratamiento trmico ms corriente para la aleacin CuAl10 consiste en temple

desde 900C, que resulta en una estructura completamente martenstica , y

luego revenido a temperaturas entre 400C y 650C.

Propiedades mecnicas con distintos tratamientos trmicos se muestran en

la siguiente tabla:

Tratamiento Trmico Tens.Fluencia

Tens.Mx

%Elongaci

DurezaBhn

Figura 7.3-12. Microestructura de CuAl9,8 : (a)Templado en agua; (b) Enfriado lentamente a800C y templado; (c) Enfriado lentamente a

650C y templado; (d) Enfriado lentamente a500C y templado.

166

(c) (d)

(a) (b)


42/47


Mpa Mpa nCuAl9,8

Calentamiento a 900C

seguido de:

Temple hasta temperaturaambiente 320 680 4 225

Enfriamiento lento hasta

800C + temple

300 600 9 216


600C + temple

150 430 17 138


500C + temple

135 300 5 136

CuAl9,4Calentamiento a 900C

seguido de:

Temple hasta temperatura

ambiente

190 760 29 187

Temple + revenido 1 hr a

400C

210 760 29 185


600C

240 700 34 168


650C

220 650 48 150

La Figura 7.3-13 muestra la variacin de las propiedades mecnicas de

aleaciones de cuproaluminios en funcin de variaciones en el % de Aluminio. La

tensin mxima y la elongacin aumentan en las aleaciones monofsicas ( de 0 a

8% de Al), a medida que la fase aumenta la tensin mxima sigue

aumentando, pero la elongacin disminuye drsticamente.

Debido a la fase estas aleaciones son particularmente aptas para el

trabajo en caliente y la soldadura. Estas aleaciones bifsicas o polifsicas son

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Porcentaje de Aluminio

Esfuerzo a Tensin

80

75

70

65

60

55

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

Elongacin

Esfuerzo a Tensin en ton/in2 y % Elongacin

Figura 7.3-13. Variacin depropiedades mecnicas de

aleaciones Cobre-Aluminio, enfuncin del porcentaje de Al.

167


43/47


poco sensibles a la corrosin bajo tensin en medio amoniacal, adems, son

insensibles a la corrosin bajo tensin en presencia de vapor sobrecalentado, de

agua de mar o de salmueras calientes.

Algunas aleaciones tpicas son:

CuAl9Ni3Fe2 y CuAl9Ni5Fe3, se utilizan principalmente en la fabricacin de

placas tubulares y planchas para calderera.

c) Cuproaluminios de fundicin

Contienen generalmente entre un 9 y un 12% de Aluminio, son en general

aleaciones bifsicas o polifsicas. Algunas aleaciones principales son:

CuAl9Ni3Fe2; CuAl10Fe3, CuAl10Fe5Ni5 y CuAl12Fe5Ni5. El Ni ayuda a evitar la

desalinizacin, mientras que el Fe, Ni y Mn mejoran an ms las propiedades

mecnicas. Estas aleaciones se utilizan principalmente en bombas, hlices,

turbinas y elementos de intercambiadores de calor.

168


44/47


7.3.8 Aleaciones Cupro- NquelEl cobre y el nquel son mutuamente solubles en todas las proporciones

como lo indica el diagrama de fases de la Figura 7.3-14.

Lquido

Paramagntico

Ferromagntico

L +

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Porcentaje en masa de Nquel

1500

1400

1300

1200

1100

1000

500

400

300

200

100

Temp C

Figura 7.3-14. Diagrama de fases cobre-nquel

169


45/47


Los cupronqueles se caracterizan por:

excelente resistencia a la corrosin, especialmente en agua de mar en

movimiento

insensibilidad a la corrosin bajo tensin

mantienen la resistencia mecnica a temperaturas de 300 a 400 C

conductividad elctrica y trmica relativamente dbiles.

Se usan principalmente en intercambiadores de calor, especialmente en

aquellos que trabajan con agua de mar y tambin en monedas.

Se conforman bien en fro y se sueldan bien si tienen una pureza bien

controlada.

Las principales aleaciones contienen entre 5 y 45% de Ni, se agrega un

poco de Mn para transformar todo el azufre de la aleacin en MnS. El CuNi44Mnse caracteriza por una resistividad elctrica constante frente a variaciones en la

temperatura de trabajo. Las adiciones de Fe se efectan para mejorar las

caractersticas a la corrosin-erosin en agua de mar; adems mejora sus

propiedades mecnicas.

Estas aleaciones tienen una propiedad muy importante que es el rechazar

los organismos marinos, esta propiedad se llama antifouling, es primordial

porque en equipos que trabajan con agua se mar se van depositando organismos

marinos que dificultan la circulacin del agua y estimulan la corrosin.

Aleaciones ms importantes utilizadas son: CuNi10Fe1Mn, CuNi30Mn1Fe.

170


46/47


Los cupronqueles se pueden conformar en planchas y en tubos, adems se

pueden usar para piezas fundidas, en general llevan la adicin de fierro para

mejorar su resistencia a la corrosin-erosin.

171


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Una sntesis de propiedades mecnicas de aleaciones cupronquel se

muestra en la siguiente tabla:

AleacionesBinarias

Tensin deRuptura

MPa

LmiteElstico

0.2% (Mpa)

% Elongacin DurezaVickers

CuNi5 270 90 45 65

CuNi20 330 135 43 85

CuNi25 350 145 43 90

CuNi30 360 150 40 95

CuNi44Mn 470 200 40 110

Aleaciones

con adicin

de FierroCuNi5Fe 280 100 40 70

CuNi5Fe1Mn 320 120 40 75

CuNi5Mn1Fe 375 155 40 100

capitulo 7 cobre y aleaciones

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