CIENCIA E INGENIERÍA DE
LOS MATERIALES
Segundo parcial
,TEMA: ALEACIONES DE Cu Y Ni
El cobre: obtención
El cobre posee una alta conductividad eléctrica y térmica que lo convierte en el metal más
utilizado en la fabricación de conductores. Aunque se puede encontrar en estado nativo, la
mayoría se obtiene mediante dos procesos: pirometalúrgico (a partir de 𝐶𝑢2 𝑆) e
hidrometalúrgico (a partir de 𝐶𝑢2 𝑂).
La mayor parte se extrae de minerales que contienen sulfuros de cobre y de hierro. Mediante
afino térmico se obtiene el llamado “cobre comercial ordinario”, “cobre HC térmico tenaz” o
también “cobre recocido” con un 99% Cu. Aunque se utiliza para algunas aplicaciones, la
mayor parte de éste se refina electrolíticamente para producir “cobre comercial ordinario
electrolítico” (ETP) (99.9%). Este cobre ETP es el menos caro de los cobres industriales y se
utiliza en la producción de alambres, varillas, planchas y listones de metal.
Este cobre electrolítico contiene como impureza bajos contenidos de oxígeno (0.04%). Este
oxígeno es casi insoluble en el cobre, y forma 𝐶𝑢2 𝑂 interdendrítico cuando el cobre está
moldeado.
Aunque para la mayoría de las aplicaciones el oxígeno en el cobre electrolítico es una impureza
insignificante, si se calienta a una temperatura superior a 400º C en atmosferas reductoras, el
hidrógeno puede difundirse en el cobre sólido y reaccionar con el 𝐶𝑢2 𝑂 disperso
internamente, para formar vapor de agua que provoca la fragilización del cobre.
Por tanto, el calentamiento del cobre con oxígeno solo se podrá realizar en atmósferas
oxidantes o neutras. En atmósferas reductoras solo se podrá utilizar cobre sin oxígeno.
Para eliminar el oxígeno se puede utilizar un desoxidante como el fósforo o bien realizar la
fundición del cobre ETP en una atmósfera controlada. El cobre así obtenido se conoce como
“cobre de alta conductividad libre de oxígeno” (OFHC). Este cobre es esencial para
componentes electrónicos que requieran una elevada conductividad con un bajo nivel de
elementos volátiles cuando se trabaja en vacío.
Propiedades del cobre
,Es el metal de mayor uso industrial después del hierro y aluminio. Posee una densidad mayor
que el hierro y una excelente conductividad eléctrica en estado recocido, de ahí que se utilice
en la fabricación de conductores eléctricos (100 % IACS). Es un excelente conductor térmico
que se utiliza en la fabricación de radiadores e intercambiadores de calor.
Es un metal e color rojizo, blando (difícil de mecanizar) y muy dúctil y maleable (FCC) lo que
permite conformarlo fácilmente en hilos, tubos y chapas. Posee excelentes propiedades
anticorrosivas ya que en atmósferas oxidantes se recubre superficialmente con una capa
protectora de óxido de color verde, que le protege de la posterior oxidación. Esta resistencia a
la corrosión mejora con la aleación.
El cobre puro recocido presenta una resistencia a la tracción de 220 MPa, resistencia que se
puede incrementar hasta los 345 MPa por trabajo en frío. Este mecanismo de endurecimiento
incrementa la fragilidad y la dureza del cobre puro, por lo que para recuperar su maleabilidad,
es preciso recocerlo a 580-628º C y enfriarlo en agua.
Las aleaciones de cobre presentan mayor resistencia a la fatiga, a la termofluencia
(𝑇𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛 = 1083º𝐶) y al desgaste abrasivo que las aleaciones ligeras, si bien la relación
resistencia-peso es típicamente inferior a la de las aleaciones de aluminio.
Se trata de un metal criogénico ya que a -196º C presenta una excelente resistencia mecánica
(+50% de incremento). Se puede soldar fácilmente y se facilita su mecanizado al añadirle P y S
pues el Cu es muy blando y dúctil.
Hay muchísimas aleaciones base cobre que utilizan los mismos mecanismos de
endurecimiento ya estudiados. La mayoría endurecen por acritud y por formación de
soluciones sólidas. Algunas endurecen mediante tratamiento térmico de precipitación de
segundas fases.
En la figura 2 se muestran los efectos que sobre la resistividad eléctrica del cobre puro tienen
los distintos mecanismos de endurecimiento empleados.
Aleaciones de cobre: clasificación
, Las aleaciones de cobre se clasifican de acuerdo con el sistema de designación propuesto por
la Asociación de Desarrollo del Cobre (CDA) de EEUU. Como se puede comprobar en la tabla 1,
en este sistema, los números C1XXXX al C7XXXX designan los grupos de aleaciones de
fundición.
Cobre comercialmente puro
Los cobres que contienen menos del 1% de impurezas se utilizan en aplicaciones eléctricas por
su elevada conductividad, debiendo tener especial cuidado en el contenido en oxígeno de los
mismos, por lo que suelen utilizarse desoxidados con fósforo.
Algunas aleaciones se endurecen por dispersión al adicionar pequeñas cantidades de óxidos,
fundamentalmente alúmina, lo cual mejora la resistencia mecánica y la dureza de la aleación
sin disminuir significativamente la conductividad eléctrica. Cualquiera de estas aleaciones
puede endurecerse por deformación, consiguiendo grandes aumentos de sus características
mecánicas con disminuciones poco relevantes de sus prestaciones eléctricas.
Latones (Cu-Zn)
LOS MATERIALES
Segundo parcial
,TEMA: ALEACIONES DE Cu Y Ni
El cobre: obtención
El cobre posee una alta conductividad eléctrica y térmica que lo convierte en el metal más
utilizado en la fabricación de conductores. Aunque se puede encontrar en estado nativo, la
mayoría se obtiene mediante dos procesos: pirometalúrgico (a partir de 𝐶𝑢2 𝑆) e
hidrometalúrgico (a partir de 𝐶𝑢2 𝑂).
La mayor parte se extrae de minerales que contienen sulfuros de cobre y de hierro. Mediante
afino térmico se obtiene el llamado “cobre comercial ordinario”, “cobre HC térmico tenaz” o
también “cobre recocido” con un 99% Cu. Aunque se utiliza para algunas aplicaciones, la
mayor parte de éste se refina electrolíticamente para producir “cobre comercial ordinario
electrolítico” (ETP) (99.9%). Este cobre ETP es el menos caro de los cobres industriales y se
utiliza en la producción de alambres, varillas, planchas y listones de metal.
Este cobre electrolítico contiene como impureza bajos contenidos de oxígeno (0.04%). Este
oxígeno es casi insoluble en el cobre, y forma 𝐶𝑢2 𝑂 interdendrítico cuando el cobre está
moldeado.
Aunque para la mayoría de las aplicaciones el oxígeno en el cobre electrolítico es una impureza
insignificante, si se calienta a una temperatura superior a 400º C en atmosferas reductoras, el
hidrógeno puede difundirse en el cobre sólido y reaccionar con el 𝐶𝑢2 𝑂 disperso
internamente, para formar vapor de agua que provoca la fragilización del cobre.
Por tanto, el calentamiento del cobre con oxígeno solo se podrá realizar en atmósferas
oxidantes o neutras. En atmósferas reductoras solo se podrá utilizar cobre sin oxígeno.
Para eliminar el oxígeno se puede utilizar un desoxidante como el fósforo o bien realizar la
fundición del cobre ETP en una atmósfera controlada. El cobre así obtenido se conoce como
“cobre de alta conductividad libre de oxígeno” (OFHC). Este cobre es esencial para
componentes electrónicos que requieran una elevada conductividad con un bajo nivel de
elementos volátiles cuando se trabaja en vacío.
Propiedades del cobre
,Es el metal de mayor uso industrial después del hierro y aluminio. Posee una densidad mayor
que el hierro y una excelente conductividad eléctrica en estado recocido, de ahí que se utilice
en la fabricación de conductores eléctricos (100 % IACS). Es un excelente conductor térmico
que se utiliza en la fabricación de radiadores e intercambiadores de calor.
Es un metal e color rojizo, blando (difícil de mecanizar) y muy dúctil y maleable (FCC) lo que
permite conformarlo fácilmente en hilos, tubos y chapas. Posee excelentes propiedades
anticorrosivas ya que en atmósferas oxidantes se recubre superficialmente con una capa
protectora de óxido de color verde, que le protege de la posterior oxidación. Esta resistencia a
la corrosión mejora con la aleación.
El cobre puro recocido presenta una resistencia a la tracción de 220 MPa, resistencia que se
puede incrementar hasta los 345 MPa por trabajo en frío. Este mecanismo de endurecimiento
incrementa la fragilidad y la dureza del cobre puro, por lo que para recuperar su maleabilidad,
es preciso recocerlo a 580-628º C y enfriarlo en agua.
Las aleaciones de cobre presentan mayor resistencia a la fatiga, a la termofluencia
(𝑇𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛 = 1083º𝐶) y al desgaste abrasivo que las aleaciones ligeras, si bien la relación
resistencia-peso es típicamente inferior a la de las aleaciones de aluminio.
Se trata de un metal criogénico ya que a -196º C presenta una excelente resistencia mecánica
(+50% de incremento). Se puede soldar fácilmente y se facilita su mecanizado al añadirle P y S
pues el Cu es muy blando y dúctil.
Hay muchísimas aleaciones base cobre que utilizan los mismos mecanismos de
endurecimiento ya estudiados. La mayoría endurecen por acritud y por formación de
soluciones sólidas. Algunas endurecen mediante tratamiento térmico de precipitación de
segundas fases.
En la figura 2 se muestran los efectos que sobre la resistividad eléctrica del cobre puro tienen
los distintos mecanismos de endurecimiento empleados.
Aleaciones de cobre: clasificación
, Las aleaciones de cobre se clasifican de acuerdo con el sistema de designación propuesto por
la Asociación de Desarrollo del Cobre (CDA) de EEUU. Como se puede comprobar en la tabla 1,
en este sistema, los números C1XXXX al C7XXXX designan los grupos de aleaciones de
fundición.
Cobre comercialmente puro
Los cobres que contienen menos del 1% de impurezas se utilizan en aplicaciones eléctricas por
su elevada conductividad, debiendo tener especial cuidado en el contenido en oxígeno de los
mismos, por lo que suelen utilizarse desoxidados con fósforo.
Algunas aleaciones se endurecen por dispersión al adicionar pequeñas cantidades de óxidos,
fundamentalmente alúmina, lo cual mejora la resistencia mecánica y la dureza de la aleación
sin disminuir significativamente la conductividad eléctrica. Cualquiera de estas aleaciones
puede endurecerse por deformación, consiguiendo grandes aumentos de sus características
mecánicas con disminuciones poco relevantes de sus prestaciones eléctricas.
Latones (Cu-Zn)
