propiedades del cobre

1. ESTRUCTURA Y PROPIEDADES
DE LAS ALEACIONES
Por Dr. Ing. Ernesto Gustavo Maffia
Año 2013
Cobre y sus aleaciones

2. 1- Introducción
El cobre y sus aleaciones conforman uno de los mayores grupos de aleaciones
comerciales disponibles actualmente en el mercado, junto a los aceros y al
aluminio. El cobre se usa ampliamente debido a su excelente conductividad
eléctrica y térmica; también presenta buena resistencia a la corrosión. Se
puede fabricar de distintas formas con mucha facilidad y su resistencia
mecánica y a la fatiga es adecuada en muchas aplicaciones. Generalmente, el
cobre y sus aleaciones son materiales no-magnéticos, y pueden soldarse
fácilmente por diferentes procesos. Debido a la gran variedad de colores que
pueden desarrollar las aleaciones de cobre, se las utiliza con fines decorativos
(lustradas, pulidas o recubiertas con sustancias orgánicas para producir
diferentes texturas y terminaciones superficiales). Las aleaciones de cobre
están constituidas por el cobre como constituyente principal, más algún tipo de
elemento químico que le da el nombre a la aleación.
Usos
Empezando por el Cu comercialmente puro, este se usa principalmente en
alambres y cables eléctricos, contactos eléctricos y diversos artículos que se
utilizan en aplicaciones eléctricas, o sea, en conducción de la electricidad. El
Cu, ciertos latones, algunos bronces y cuproníqueles se usan en servicios que
requieran alta conducción del calor, como ser radiadores de automóviles,
sistemas de calefacción hogareña, paneles para absorción de energía solar,
etc. Debido a la excelente resistencia a la corrosión, estas aleaciones también
se emplean en caños y válvulas de sistemas de agua potable, sistemas de
procesamiento de aguas industriales u otros fluidos acuosos.
La gran mayoría de las aleaciones para conformar (denominadas “wrought
alloys” en la literatura inglesa) están disponibles comercialmente con distintos
grados de trabajo en frío, de modo que la resistencia mecánica (Rm) y la
resistencia a la fatiga (Rf) dependen de la cantidad de trabajo en frío y también
del contenido de aleantes. Las aleaciones para conformar, con algún grado de
trabajo en frío, se utilizan principalmente en resortes, pequeños engranajes,
levas, contactos eléctricos, hardware, etc. Algunos elementos de bombas o
accesorios para sanitarios se producen por forjado en caliente, pues este es el
único medio de fabricación que logra formas y propiedades específicas además
de ser económico. Las aleaciones que contienen Pb (del 1 al 6%), son las
denominadas “aleaciones de corte libre” y se las emplea en componentes a ser
extensamente mecanizados o roscados.
2- Atributos del cobre y sus aleaciones
Además de la resistencia mecánica, la resistencia a la fatiga y la
conformabilidad (excelente en estos materiales), existen otros atributos a tener
en cuenta al momento de utilizar aleaciones base Cu:
(a) resistencia a la corrosión
2

3. (b) conductividad eléctrica
(c) conductividad térmica
(d) color
(e) facilidad de fabricación
Resistencia a la corrosión
El Cu es un metal noble (pero diferente de otros metales nobles como el Au ó
Ag) y puede ser atacado por reactivos comunes o por el medio ambiente. El Cu
puro resiste muy bien los ataques corrosivos de la mayoría de medios
agresivos, sin embargo, algunas aleaciones de Cu tienen una utilidad limitada
en determinados medios debido a que sufren degradación por causa del
fenómeno de fragilidad por hidrogeno y corrosión bajo tensiones.
Para la mayoría de las aplicaciones, el oxígeno en el cobre ETP (Electrolytic
Tough Pitch) (C10000, cobre comercialmente puro) es una impureza
insignificante; sin embargo, si este material se utiliza en servicio a temperaturas
mayores de los 400ºC en un entorno rico en hidrógeno, el mismo puede
difundir en el cobre sólido y reaccionar con el Cu2O disperso para formar la
reacción de vapor. Este fenómeno se denomina “fragilidad por hidrogeno” y la
ecuación de formación es la siguiente:
Cu2O + 2H  H2O + 2Cu (2)
Las moléculas de agua formadas por esta reacción son muy grandes y no
difunden de forma rápida, por lo tanto terminan formando grandes agujeros,
principalmente en los límites de grano. Estos vacíos provocan fragilidad ante la
aplicación de cargas externas. Este fenómeno puede evitarse desoxidando con
algún elemento químico.
El fenómeno de corrosión bajo tensión es un tipo de degradación acelerada del
material que se produce cuando el material susceptible en servicio se
encuentra con un medio agresivo (por ejemplo amoníaco) y además existen
tensiones internas de tracción. La manera de controlar esta degradación es
eliminar algunas de las tres condiciones requeridas para su ocurrencia, por
ejemplo, si se eliminan las tensiones por medio de un tratamiento térmico
llamado “recocido de alivio de tensiones” ó se aplican tensiones de compresión
sobre la superficie del material (por ejemplo, a través del granallado) se
eliminará o disminuirá el fenómeno de corrosión bajo tensión. Los latones con
alto contenido de Zn (con porcentajes mayores la 15%) son las aleaciones de
Cu donde se observa con mayor intensidad el fenómeno de corrosión bajo
tensión.
Otra forma de corrosión es la llamada de-aleado (dealloying), la cual también
afecta a las aleaciones de Cu que contienen Zn. En este fenómeno de
corrosión, el Zn es el metal más activo y selectivamente es removido de la
aleación, dejando un depósito blando y poroso de metal noble. Las aleaciones
que contienen porcentajes de Zn mayores al 15% son susceptibles de sufrir
este tipo de degradación. En este caso, el fenómeno se llama
3

4. “dencinzificacion”. Este tipo de corrosión es peligrosa pues produce una
penetración en el material, debilitándolo y permitiendo que gases o líquidos
escapen a través de la capa porosa que se forma. Las medidas más usuales
de protección contra la dencinzificacion se resumen en el uso de latones con
bajos contenidos de Zn. Además para mejorar la resistencia a la
dencinzificacion, se acostumbra a adicionar a la aleación ciertos aleantes (Sn,
As, Sb, P) los que actuarán como inhibidores. Por lo tanto, las aleaciones “laton
rojo” (85Cu-15Zn), “laton de aluminio con arsénico” (76Cu-22Zn-2Al-0,05As),
“laton del almirantazgo” (10,37Cu-28,43Zn-1,15Sn-0,04AS, 0,01Fe) presentan
una óptima resistencia a este fenómeno de corrosión. La explicación a este
fenomeno se encuentra en que el agregado de As y otros aleantes inhibe la
dencinzificacion por la despolarización por sobre-tensión de hidrogeno en el
área catódica retardando la reacción: 2H+2e=H2 .Otros creen que el As inhibe
el proceso anódico, probablemente por la formación de una película sobre las
áreas ricas en Zn, donde se inicia el proceso de corrosión. También se evita la
dencinzificacion realizando un tratamiento térmico que evite la formación de
áreas ricas en Zn.
Conductividad eléctrica
Además de la resistencia a la corrosión, una de las propiedades más útiles del
cobre es su alta conductividad tanto eléctrica como térmica. La norma por la
cual el cobre y otros conductores son evaluados es la denominada por sus
siglas en ingles IACS “International Annealed Copper Standard” en la que al
cobre se le da un valor arbitrario del 100%.
Además de ser un metal estándar para conductores eléctricos, el cobre tiene
muchas otras ventajas económicas. Por ejemplo, al juzgar “el tamaño por
tamaño”, los conductores en cobre son más pequeños con respecto a otros.
Esto significa que los costos de aislación en el alambre se reducen
considerablemente y que, en las máquinas eléctricas, se pueden instalar más
vueltas de bobinado en una misma área. Todo esto se traduce en una mayor
eficiencia eléctrica y menos necesidad de gasto de energía en sistemas de
enfriamiento.
En la figura 1 se presenta el efecto de las impurezas y efectos del agregado de
aleantes secundarios, en la conductividad del cobre. Esto es sólo aproximado
ya que son múltiples los efectos reales producidos por la historia térmica y
mecánica del cobre, por el contenido de oxígeno y otros elementos. La mayoría
de los elementos que se muestran en la figura 1 tienen cierta solubilidad en el
cobre y su efecto proporcional es una función de la diferencia en el tamaño
atómico, así como otros factores. Aquellos elementos muy insolubles en el
cobre tienen poco efecto sobre la conductividad, ya que están presentes como
partículas discretas, añadidas intencionalmente para mejorar la maquinabilidad
de cobre de alta conductividad.
4

5. Figura 1: efecto de los elementos de impurezas en la conductividad eléctrica
del cobre
El efecto del oxígeno es beneficioso, ya que algunas impurezas insolubles se
combinaran como óxidos complejos en lugar de estar en solución sólida en el
metal. La reducción de los niveles de impurezas en el cobre primario, necesita
ahora ser alrededor de 0,02% o menos. Para concentraciones inferiores a las
mostradas, el efecto de las impurezas individuales sobre la conductividad, no
puede ser medido con facilidad ya que no se puede eliminar los efectos inter-
elementos. Las curvas mostradas por lo tanto no deberían ser extrapoladas
hacia atrás hacia figuras "de partes-por-millón".
Conductividad térmica
La propiedad que caracteriza la capacidad de un material para trasportar calor
es la conductividad térmica, y se define por la expresión:
q = -  (3)
,donde q representa el flujo de calor que atraviesa la unidad de área
(perpendicular a la dirección del flujo de calor) por unidad de tiempo, es la
conductividad térmica y dT/dx es el gradiente de temperatura a través del
medio conductor. Las unidades de q y son: W/m2 y W/m-k respectivamente.
El Cu y sus aleaciones son muy buenos conductores del calor puesto que
exhiben un número elevado de electrones libres que participan en la
conducción térmica. En la tabla 1 siguiente se dan las conductividades térmicas
de varios metales comunes. Sus valores están comprendidos entre 20 y 400
W/m-k.
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dT
dx

6. Tabla 1- Tabulación de las propiedades térmicas del Cobre versus algunos
metales, cerámicos y polímetros
material
Conductivida
d térmica
(w/m-k)
Al 247
Cu 398
Au 315
Fe 80
Ni 90
Ag 428
W 178
AISI 1025 51,9
Inoxidable 316 15,9
Latón (70-30) 120
Kovar (54Fe-29Ni-17Co) 17
Invar (64Fe-36Ni) 10
Súper Invar(63Fe-32Ni-5Co) 10
Del mismo modo que en la conductividad eléctrica, al combinar un metal puro
con algún soluto (o impureza) se produce una reducción en la conductividad
térmica. De este modo, los solutos, especialmente si están en solución sólida,
actúan como centros de dispersión y de esta forma disminuyen la eficiencia en
el movimiento de los electrones.
Color
El cobre y ciertas aleaciones de cobre se utilizan con fines decorativos solo, o
cuando un color y acabado particular se combina con una propiedad mecánica
o física deseable de la aleación. La Tabla 1 enumera la gama de colores que
pueden ser obtenidos con aleaciones de cobre estándar.
Tabla 2. Colores más importantes de aleaciones base cobre conformables
Numero UNS Nombre común Color
C11000 Cobre electrolítico Rosado
C21000 Metal dorado, 95% Marrón-rojizo
C22000 Bronce comercial, 90% Bronce dorado
C23000 Latón rojo, 85% Marrón-dorado
C26000 Latón de cartuchería,
70%
dorado verdoso
C28000 Metal de Muntz, 60% Marrón dorado
claro
C63800 Bronce al aluminio dorado
C65500 Bronce con alto silicio, A Marrón-lavanda
C70600 Cobre-Níquel, 10% Lavanda suave
C74500 Níquel-Plata, 65-10% Blanco grisáceo
C75200 Níquel-Plata, 65-18% plateado
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7. Nota: UNS son las siglas del sistema unificado internacional de designación de
aleaciones
Facilidad de fabricación
Con el cobre y sus aleaciones se pueden conformar piezas con una amplia
variación de formas y dimensiones. Para esto, se utilizan distintos procesos de
fabricación, tanto a alta como a baja temperatura, como ser el laminado, la
extrusión, la forja, el estampado, el estirado, etc, sin el menor inconveniente. La
mayoría de los países del mundo emplean aleaciones base cobre para acuñar
sus monedas ya que estos materiales pueden, para fines decorativos, pulidos,
texturados, plateados o recubiertos. También pueden ensamblarse por diversos
procesos mecánicos y soldarse por procesos tradicionales (soldering y
brazing). La selección del proceso de soldadura esta gobernado por los
requerimientos del servicio, además de la configuración de la unión, el espesor
de los componentes y la composición de la aleación.
3 - Tratamientos térmicos
Si se aplica un tratamiento térmico de recocido a materiales que hayan sufrido
trabajo en frio previo, se puede lograr un estado de máximo ablandamiento. En
el caso de aleaciones monofásicas que presenten granos deformados, este
recocido transformara a estos, en otros libres de deformación por los
mecanismos del recocido de recristalización (recuperación, recristalización y
crecimiento de grano). En materiales ya severamente deformados en frio, la
recristalización se produce a temperaturas más bajas aún. El control del
tamaño de grano se puede realizar mediante la selección apropiada de la
cantidad de trabajo en frío y prácticas adecuadas de recocido. Por ejemplo,
materiales con grandes cantidades de trabajo en frío, sometidos a
calentamientos rápidos a temperatura de recocido y breves tiempos, favorecen
las granulometrías más finas. En la práctica comercial, los tamaños de grano
de recocido se controlan en alrededor de un valor medio de 0,01 a 0,10 mm.
También se pueden aplicar al cobre y sus aleaciones diferentes tratamientos
térmicos para lograr la homogeneización, la eliminación de tensiones,
solubilización, endurecimiento por precipitación, y temple y revenido. Estos
aspectos se hacen referencia en los artículos que se analizan en más detalle
en el Volumen 4 de ASM, llamado Tratamiento Térmico.
4 – Clasificación de las aleaciones de cobre
Las aleaciones de cobre se clasifican de acuerdo a un sistema de designación
que comprende los números C10100 al C79900 para las aleaciones
conformables y los números C80000 al C99900 para designar las aleaciones
de fundición. Las normas ASTM B 601, "Standard Practice for Temper
Designations for Copper and Copper Alloys--Wrought and Cast" establece
un código alfa-numérico que se relaciona con cada estado de entrega (temper),
por ejemplo: el código alfa-numérico TB00 es la siguiente condición del material
(o temper) : “tratado en solución o solubilizado para cualquier aleación que
endurezca por precipitacion”
7

8. 5 - Cobres eléctricos
El cobre comercialmente puro se representa por números UNS C10100 a
C13000. Los diversos tipos dentro de este grupo tienen diferentes grados de
pureza y diferentes características. El llamado cobre refinado a fuego C12500
se fabrica por la desoxidación del cobre anódico hasta que el contenido de
oxígeno se haya reducido a un valor de 0,02 a 0,04%. Generalmente contiene
una pequeña cantidad de azufre residual, normalmente de 10 a 30 ppm, y una
cantidad algo mayor de óxido cuproso, normalmente 500 a 3.000 ppm. La
aleación designada como C11000 es la más común de todas de las llamadas
“cobre eléctricos”. Tiene una alta conductividad eléctrica, en exceso de 100%
IACS. Tiene el mismo contenido de oxígeno que la C12500 pero menos de 50
ppm de impurezas metálicas totales (incluyendo azufre).
Si se requiere resistencia al ablandamiento a temperaturas ligeramente
elevadas, se especifica a menudo C11100. Esta aleación contiene una
pequeña cantidad de cadmio, que eleva la temperatura a la que se producen la
recuperación y recristalización. La plata, que puede estar presente como una
impureza en los cobres eléctricos, puede también ser intencionalmente
agregada para lograr una mayor resistencia al ablandamiento cuando el metal
ha sido trabajado en frío. Estas aleaciones se utilizan para aplicaciones tales
como radiadores de automóviles y conductores eléctricos que deban operar a
temperaturas por encima de aproximadamente 200° C. La adición de pequeñas
cantidades de elementos tales como plata, cadmio, hierro, cobalto, cobre y
circonio para desoxidar, imparte resistencia al ablandamiento a las
temperaturas encontradas en las operaciones de soldadura en componentes
de automóviles y radiadores de camiones y en las operaciones de embalajes.
Las conductividades térmicas y eléctricas y las propiedades mecánicas a
temperatura ambiente no se ven afectados por pequeñas adiciones de estos
elementos.
Otra aplicación en la que la resistencia al ablandamiento es de suma
importancia es en placas de conexión (lead frame) para dispositivos
electrónicos. Durante el montaje, estas placas sufren temperaturas de hasta
350° C durante varios minutos y hasta 500°C durante varios segundos y una
buena resistencia al ablandamiento evita el colapso en el montaje. La aleación
C15100 (cobre-circonio), la aleación C15500 (cobre, plata, magnesio y fósforo),
aleación C19400 (cobre-hierro-fósforo y zinc) y aleación C19500 (cobre, hierro
y cobalto, estaño y fósforo) son populares para estas aplicaciones, ya que
tienen buena conductividad, buena resistencia y buena resistencia
ablandamiento. La figura 3 compara la resistencia de ablandamiento de estas
aleaciones con C11000 cobre electrolítico.
8

9. Figura 2. Resistencia al ablandamiento de los materiales de placas de conexión
de conductores en el límite superior de temperatura (500 ° C).
6 – Aleaciones
La forma más común de clasificar a las aleaciones de Cu es dividirla en 6
familias:
a) cobre
b) cobre diluido (high coppers alloys)
c) latones
d) bronces
e) Cu-Ni (cuproníqueles)
f) Cu-Ni-Zn (alpaca, o plata alemana, o metal blanco, o plata nueva o
argentán)
La primera familia de aleaciones (a) cobre, es básicamente cobre
comercialmente puro, el cual es blando y dúctil. Su contenido de impurezas
siempre es menor a 0,7%.
La segunda familia (b) cobre diluido, son las llamadas high copper alloys en la
literatura anglosajona. Contienen pequeñas cantidades de aleantes (Be, Cd,
Cr, Fe) y cada uno de estos muestra una solubilidad en estado sólido menor al
1% p/p. Estos elementos modifican una o varias propiedades básicas.
Las siguientes familias (latones, bronces, cuproníqueles, aleaciones Cu-Ni-
Zn), contienen uno de los cinco elementos siguientes Zn, Sn, Al, Si, Ni como
aleante primario. Se clasifican del siguiente modo:
Tabla 3- Clasificación de las aleaciones de cobre
Cuando el aleante
es el:
Se forma la familia de: Solubilidad en
estado sólido (at
%)
a 20°C
Zn Latones 37
Sn Bronces al fósforo 9
Al Bronces al aluminio 19
Si Bronces al silicio 8
Ni CuNi y CuNiZn 100
9

10. Una clasificación más general para aleaciones conformables (wrought) y
aleaciones para moldeo (as cast) se presenta en las Tablas 2 y 3:
Tabla 4-Clasificación genérica de las aleaciones base cobre trabajables
Nombre genérico Numero UNS Composición
Cobre C10100-C15760 >99% Cu
Cobre diluido C16200-C19600 >96% Cu
Bronces C20500- C 28580 Cu-Zn
Bronces al Pb C31200- C 38900 Cu-Zn-Pb
Bronces al Sn C40400- C 49080 Cu-Zn-Pb-Sn
Bronces al P C 50100- C 52400 Cu-Sn-P
Bronces al P y Sn C 53200- C 54800 Cu-Sn-Pb-P
Cu-P y aleaciones de Cu-Ag-P C 55180-55284 Cu-P-Ag
Bronces al Al C 60600-64400 Cu-Al-Ni-Fe-Si-Sn
Bronces al Si C 64700- C 66100 Cu-Si-Sn
Otras aleaciones Cu-Zn C 66400- C 69900 ------------
Cu-Ni C 70000- C 79900 Cu-Ni-Fe
Ni-Ag C 73200- C 79900 Cu-Ni-Zn
Tabla 5-Clasificación genérica de las aleaciones base cobre para moldeo
Nombre genérico Numero UNS Composición
Cobre C80100-C81100 >99% Cu
Cobre diluido C81300-C82800 >94% Cu
Bronces rojos al Pb y Bronces rojos C83300-C84800 Cu-Zn-Sn-Pb
(75 a 89%Cu)
Bronces amarillos al Pb y Bronces
amarillos
C85200-C85800 Cu-Zn-Sn-Pb
(57 a 74%Cu)
Bronces al Mn y Bronces al Mn con
Pb
C86100-C86800 Cu-Zn-Mn-Fe-
Pb
Bronces al Si y latones la Si C87200-C91700 Cu-Zn-Si
Bronces al Sn y Bronces al Sn con
Pb
C92200-C92900 Cu-Sn-Zn-Pb
Bronces al Sn con alto % de Pb C93200-C94500 Cu-Ni-Sn-Zn-
Pb
Bronces al Al C95200- C96700 Cu-Al-Ni-Fe
Cu-Ni C96200- C96800 Cu-Ni-Fe
Ni-Ag C97300- C97800 Cu-Ni-Zn-Pb-
Sn
Cu-Pb C98200- C98800 Cu-Pb
Otras aleaciones C99300- C99750
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11. Aleaciones que forman campos de solución sólida
Los elementos aleantes más compatibles con el cobre son aquellos que forman
campos de solución sólida. Estos campos incluyen a todos los elementos que
conforman familias de aleaciones de la Tabla 3, más el manganeso. El
endurecimiento en estos sistemas de aleaciones es más que suficiente como
para poder fabricar por conformado diversas piezas sin tener la preocupación
de la fragilidad asociada a segundas fases o compuestos. El latón de
cartuchería es un ejemplo típico de este grupo de aleaciones. Esta aleación
contiene un 30% de Zn en cobre y no exhibe fase , excepto en ocasiones
excepcionales donde se segrega una pequeña cantidad de fase .
Normalmente, la fase desaparece después de un recocido. Siempre que no
haya elementos perjudiciales, tales como el Fe, la relación entre el trabajo en
frío y el crecimiento de grano se puede reproducir muy fácilmente en la
práctica.
Aleaciones de solución sólida modificada
Las aleaciones de cobre que endurecen por solución sólida tienen una notable
resistencia mecánica y conformabilidad. Debido a que son unifásicas y no se
transforman durante los calentamientos o enfriamientos que ocurren en los
tratamientos térmicos, estas aleaciones desarrollan su máxima resistencia
mecánica a través de procesos de trabajado en frío (tales como laminado o
estirado). Se debe observar que la conformabilidad se reduce en proporción a
la cantidad de trabajado en frío aplicada.
En las últimas décadas, se desarrollaron ciertas modificaciones para algunas
soluciones sólidas. Estas modificaciones se logran agregando aleantes que
reaccionen formando intermetálicos dispersos en la matriz. Estas dispersiones
tienen el efecto de refinar la microestructura y provocar endurecimiento. Como
resultado se logra un aumento de la resistencia mecánica con una menor
aplicación de trabajado en frío. Por ejemplo, observando las propiedades de la
aleación C63800 (95Cu-2.8Al-1.8Si-0.4Co) se ven altos valores de resistencia
de Rt(recocido)=570MPa y valores nominales de 660-900MPa en materiales en
condición de laminado. En esta aleación, el Co es el elemento que genera las
partículas intermetálicas, las que finalmente provocan el endurecimiento.
Otros ejemplos se encuentran en:
(a) la aleación C66400 (86.5Cu-11,5Zn-1,5Fe-0.5Co) denominada “latón
modificado de bajo cinc”. En ella se observa el agregado de Fe y Co con la
finalidad de generar una dispersión en la matriz de partículas intermetálicas. Si
bien estas partículas reducen apenas la conductividad, también aumentan la
resistencia a la corrosión bajo tensión.
(b) la aleación C68800 (73.5Cu-22.7Zn-3.4Al-0.4Co) es un latón al aluminio
modificado. Su doblabilidad paralela a la dirección de laminación es muy
superior a su resistencia mecánica. Esta característica se debe a la dispersión
de partículas intermetálicas resultantes de la presencia de Co. Su rango de
resistencias mecánicas es esencialmente igual a la aleación C63800.
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12. Aleaciones endurecibles por precipitación
El endurecimiento por envejecido produce resistencias mecánicas muy altas
pero éste sólo se puede aplicar en unas pocas aleaciones, donde se cumpla la
condición de pérdida de solubilidad con el descenso de la temperatura. Las
aleaciones representativas son las aleaciones Cu-Be, y su característica
principal es la altísima resistencia mecánica.
Existen dos familias de aleaciones comercialmente importantes:
Aleaciones con un contenido de 0.2- 0.7% de Be y, a veces, con el agregado
de Ni ó Co, totalizando un contenido de 1.4 a 2,7% de aleantes. Estas
aleaciones se llaman rojas por su coloración. Son ejemplos de esta familia, las
aleaciones C17500 y C17510. Este mínimo porcentaje de aleantes permite una
conductividad del 50% aproximadamente y resistencias mecánicas del orden
de los 170 a 550MPa. Sin embargo, después del envejecido la resistencia
mecánica aumenta a 895MPa, siempre en dependencia con el grado trabajado
en frío aplicado anteriormente.
Aleaciones con un contenido de 1.6 a 2% de Be, más el agregado de 0.25 de
Co. Son ejemplos típicos de esta familia, las aleaciones C17000 y la C17200.
Estas aleaciones son frecuentemente llamadas aleaciones de oro debido a su
color símil oro, y este brillo es dado por el Be presente. Son aleaciones de alta
resistencia mecánica, llegando a un f de 205 a 690MPa. En la condición de
envejecidas este valor trepa a los 1380MPa.
Con respecto a la conductividad, esta es menor que la de las “aleaciones
rojas”. Los valores de conductividad se hallan entre 20 a 30%IACS, producto
de la combinación de trabajado en frío y tratamiento de envejecido. Cuando se
desea aumentar la maquinabilidad de estas aleaciones, se agrega Pb, en
cantidades apreciables, resultando la aleación C17300.
Otras aleaciones endurecibles por precipitación: son las C15000, C15100
(CuZr), C18200, C18400 y C18500 (CuCr), C19000, C19100 (CuNiP) y
C64700, C70250 (CuNiSi). Estas aleaciones presentan distintas características
tales como una alta resistencia mecánica combinada con una menor
conductividad que las aleaciones CuBe.
Además, la aleación C7900 (CuNiSn) presenta un sistema de endurecimiento
diferente y este se llama: “endurecimiento por descomposición espinoidal”.
Combinado trabajo en frío con trabajo en caliente se consiguen altas
resistencias mecánicas, muchas veces equivalentes a los valores de
resistencia mecánica alcanzados por las aleaciones CuBe. Estas aleaciones
son únicas por el hecho que sus características de conformación son
isotrópicas y de este modo, no reflejan direccionalidad en las propiedades,
hecho observado comúnmente en las aleaciones conformadas.
Latones
Las aleaciones de Cobre con Cinc se denominan latones. Estas aleaciones
tienen, además del Zn, pequeñas cantidades de Pb, Sn o Al, elementos que
tienen la finalidad de modificar alguna propiedad del material, como ser el color,
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13. resistencia mecánica, ductilidad, maquinabilidad, resistencia a la corrosión o
una mezcla de dichas propiedades. Las aleaciones de Cu-Zn industrialmente
importantes se encuentran comprendidas dentro de los límites de composición
de 0 a 50% de Zn.
Algunas consideraciones generales sobre los latones más utilizados
Los latones más comunes (denominados C21000 a C28000) son aleaciones de
cobre, donde el zinc es el aleante principal. Aquellas aleaciones de bajo
contenido de zinc, tales como la C21000, denominada “metal gilding” (metal
dorado) retienen la estructura α (fcc), mientras que latones alto contenido de
zinc (> 39% de Zn), tales como metal Muntz (C28000), contienen
principalmente fase β (bcc). Los latones que contienen entre 32 a 39% de Zn
puedes tener una estructura dúplex α + β, lo que hace que sea más fácil el
trabajo en caliente y el mecanizado. El aumento de contenido de zinc produce
aleaciones más fuertes y más elásticas a expensas de una disminución
moderada de la resistencia a la corrosión.
Aunque producido en todas las formas, los latones se utilizan principalmente en
forma de láminas para fabricar piezas estampadas (por ejemplo en
componentes de interruptores eléctricos) tuberías de drenaje, productos de
plomería, etc.
La resistencia a la corrosión del latón es adecuada para la mayoría de los
ambientes atmosféricos. Sin embargo, estas aleaciones están sujetas a la
dencinzificacion en ambientes acuáticos estancados, ambientes ácidos, y
pueden fallar por SCC en presencia de amoniaco húmedo, aminas, y
compuestos de mercurio. La conductividad eléctrica de los latones es
razonablemente alta. Los valores van desde los 56% IACS para la aleación
C21000 hasta el 28% IACS para aleaciones de alto zinc. El latón de cartuchería
(C26000) es utilizado en la fabricación de hardware eléctrico con una
conductividad de 28% IACS. (Se pueden comparar las conductividades de
acero al carbono y el acero inoxidable austenítico, las cuales son
aproximadamente 8,5% y 2,3% IACS, respectivamente.)
Los latones se seleccionan normalmente en base a su grado de
conformabilidad. La aleación C26000 es el latón con mejores aptitudes para el
conformado; además resultan sobresalientes su resistencia a la corrosión (la
cual favorece a las aleaciones de bajo contenido de zinc, porque tienen
propiedades más cercanas al cobre) y su atractivo color (que varía de rojizo
rosa al amarillo pálido, dependiendo del contenido de zinc). Los productos
forjados en caliente, cuando deban estar libres de plomo, deberán fabricarse a
partir de aleaciones dúplex, o en su mayoría composiciones fase β tales como
la de la aleación C28000.
Bronces
Los bronces son aleaciones de cobre en las que el principal elemento de
aleación no es zinc, ni níquel. Aunque hay excepciones, bronces son
generalmente clasificados por su elemento de aleación en mayor cantidad.
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14. Bronces al estaño (Sn-Cu-P) (C50100 a C52480), también se los conoce como
bronces al fósforo, tienen excelentes cualidades elásticas, alta resistencia a la
fatiga, excelente conformabilidad y soldabilidad, y alta resistencia a la
corrosión. Se producen principalmente en forma de flejes para fabricar
productos eléctricos. Otros usos incluyen fuelles resistentes a la corrosión,
diafragmas y aros elásticos.
Bronces al aluminio (Cu-Al) (C60800 a C64210). Son aleaciones conocidas por
su combinación de alta resistencia y excelente resistencia a la corrosión. Su
resistencia a la fatiga por corrosión bajo tensión superior a la de los aceros
inoxidable austeníticos. Son fácilmente soldables y mecanizables aunque es
esencial una buena lubricación y refrigeración para obtener la superficie bien
terminada. Los bronces de aluminio que contiene menos del 9,5% de Al se
endurecen a través de una combinación de endurecimiento por solución sólida,
trabajo en frío y precipitación de una fase rica en hierro. La resistencia a la
tracción oscila entre 480 y 690 MPa, dependiendo de la composición y el
temper.
Las aleaciones de aluminio con mayor contenido de Al (del 9 al 11% de Al),
como C63000 y C63020, pueden ser templadas y revenidas igual que los
aceros para producir resistencia a la tracción superiores a los 1000 MPa.
Bronces de aluminio tienen una muy amplia gama de aplicaciones. Los usos
más comunes incluyen equipamientos marinos, ejes y componentes de
bombas y de válvulas de manejo de agua de mar, aguas ácidas de minas,
fluidos de proceso proveniente de ácidos no oxidantes e industriales. La buena
resistencia al desgaste de los bronces al aluminio las convierte en una
excelente opción para cojinetes de alta resistencia y máquinas-herramientas.
Debido a que el aluminio reduce la densidad y también aumenta la resistencia,
estos bronces tienen relativamente altas relaciones resistencia-peso. Esto
explica por qué el bronce de níquel-aluminio (C63020) a veces sustituye a las
aleaciones de Cu-Be en los cojinetes del tren de aterrizaje de aviones.
Aleaciones de cobre-níquel y níquel-plata (alpaca)
Las aleaciones de cobre-níquel (C70100 a C72950) se encuentran en el
extremo final del sistema de Cu-Ni binario rico en cobre que también incluye el
Monel (67Ni-30Cu); además, sus propiedades son similares a las aleaciones
ricas en níquel. Las monedas de cobre están entre los materiales más
resistentes a la corrosión y térmicamente estable de todas las aleaciones de
cobre, y son prácticamente inmunes a la SCC. Al igual que las aleaciones a
base de níquel, las monedas de cobre muestran una alta resistencia a la
oxidación en vapor y aire húmedo. Su resistencia se conserva bien en
temperaturas elevadas.
Aleaciones de bajo níquel (2-4% Ni) se utilizan en forma de tiras o flejes para
producir productos eléctrico-electrónicos, donde se necesita una buena
resistencia mecánica, estabilidad térmica, y conformabilidad. Las aleaciones
C70600 (10% de Ni), C72200 (16% de Ni, más hierro y cromo) y C71500 (30%
Ni) son en su mayoría producidas con forma de tubos para condensadores en
los buques y centrales eléctricas. Las varillas y placas son utilizadas para una
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15. variedad de productos marinos, incluyendo válvulas, bombas y además
resisten muy bien al “fouling” en cascos de buques y plataformas petrolíferas
y/o plataformas de gas en alta mar.
Referencias:
o ASM Handbook volume 2, Properties and
selection: Nonferrrous Alloys and Special-
Purpose Materials, 10º edition 1991.
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