tema 2 21.0 cobre y aleaciones de cobre

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COBRE Y ALEACIONES DE COBRE

PROFESOR: PAUL P. LEAN SIFUENTES

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COBRE PUROEl cobre es un metal importante en ingeniería y es uno de los pocos metales que se le emplea en forma casi pura.

En la forma casi pura, el cobre tiene una combinación extraordinaria de propiedades que son útiles para ser empleado en aplicaciones industriales, pues presentan alta conductividad eléctrica, buena resistencia a la corrosión, fácil fabricación, resistencia media a la tracción, etc.

Si se desea mejorar alguna característica o propiedad como aumentar su resistencia mecánica, se le alea con otros metales como: zinc, estaño, silicio, aluminio, berilio, entre otros.

Mediante la aleación se consigue mayores resistencias en una serie de aleaciones de latones y bronces que son indispensables para muchas aplicaciones en ingeniería.

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COBRE PUROEl cobre, al igual que el oro y la plata, se puede encontrar en la naturaleza en forma casi pura, por lo que ya en la antigüedad el hombre, que desconocía aún la metalurgia (obtención del metal por reducción del mineral), pudo emplearlo.

En la actualidad se obtiene cobre metalúrgico, separándolo del oxígeno y del azufre.

A pesar que el contenido de cobre en la corteza terrestre es pequeño (0,01 %), no es un metal disperso, sino que se concentra en los minerales de cobre, en los que su concentración es del orden del 5 %.

Las propiedades del cobre son parecidas a las del oro y la plata, como muestra la siguiente Tabla, pues el cobre se oxida poco, por lo que se le puede llamar seminoble, algunos autores lo consideran como “noble”.

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COBRE PURO

8075120GPaMódulo de rigidez (Young)2,11,51,710-6 Ω cmResistividad eléctrica9,714,216,510-6 αCoeficiente de dilatación lineal4,074,083,61AmstrongParámetro de red a 20 °C

FCCFCCFCCRed cristalina

221225302595°CTemperatura de ebullición10649611083°CTemperatura de fusión19,310,58,9g / cm3Densidad

197,0107,963,5g / g molMasa atómica

794729Número atómico

AuAgCuUnidadesCaracterísticas

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COBRE PURONormalmente se considera COBRE PURO al que contiene más del 99% de cobre en su composición química.

El COBRE PURO, en cualquiera de sus formas es muy apreciado en el medio industrial por sus diversas propiedades.

PROPIEDADES MECÁNICAS

En estado de recocido:

σmáx = 20 – 22 kg/mm2 (Resistencia a la tracción)

% ε = % δ = 40 – 45 (ductilidad)

Deformado en frío:

σmáx = 35 – 40 kg/mm2

% ε = % δ = 6 – 8 6

COBRE PUROPROPIEDADES FÍSICAS

La alta conductividad eléctrica que presenta el cobre determina que se utilice preferente como conductor eléctrico.

En la Tabla se puede apreciar que después de la plata el cobre es el que mejor conduce la electricidad, pues tiene una resistenciaeléctrica relativamente baja.

9,8Hierro2,7Aluminio1,7Cobre1,5Plata

Resistencia eléctrica10-6 Ω cmMetal

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COBRE PURO

PROPIEDADES FÍSICAS

Color rosado salmón

Pesado (alta densidad)

Extraordinariamente dúctil y maleable

Después de la plata EL COBRE ES EL MEJOR CONDUCTOR DE LA ELECTRICIDAD

Después de la plata EL COBRE ES EL MEJOR CONDUCTOR DEL CALOR

Es amagnético (no tiene magnetismo) no se le puede magnetizar8

PROPIEDADES QUÍMICAS

Suele ser considerado como un METAL NOBLE, después del platino, el oro y la plata.

Es resistente a los agentes atmosféricos, y no se corroe fácilmente, a temperaturas normales.

Esta propiedad de resistencia a la corrosión es, obviamente, muy ventajosa.

Una techumbre de cobre o una aplicación de cobre en alguna construcción puede resistir por mucho tiempo el efecto de los agentes atmosféricos.

COBRE PURO

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COBRE PURO

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PROPIEDADES BIOLÓGICAS

Debido a que el cobre ayuda a formar la hemoglobina de la sangre, el organismo humano necesita absorber diariamente 1,6 a 2,0 mg, aproximadamente, de cobre.

En el caso de mujeres embarazadas, esta dosis debe subir a una cantidad aproximada de 3 a 4 mg diarios.

DESTRUYE MICROORGANISMOS Y BACTERIAS EXISTENTES EN EL AMBIENTE.

Canalización para distribución de agua, fabricación de cerveza, destilación de alcoholes, etc.

Impide la fijación de algas y organismos marinos.

COBRE PURO

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A la izquierda, malla de acero inoxidable con incrustaciones marinas. A la derecha, malla de aleación de cobre (Cobre-Níquel, 70-30) libre de incrustaciones.

Malla de acero inoxidable Malla de cobre – níquel

COBRE PURO

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PROPIEDADES ESTÉTICAS

En arquitectura y decoración es muy apreciado porque une belleza y resistencia a los agentes atmosféricos y a la corrosión.

Cuando se dice “color metálico”, es un color entre blanco y gris, que es el color de la mayoría de metales.

El cobre y el oro 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, que lo protege de oxidación posterior.

Con los años la capa superficial oxidada se torna verde claro, lo que es apreciado por algunos arquitectos y usuarios.

COBRE PURO

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Característica Unidades COBRE HIERRO

Red Cristalina CCCa CCCu

Densidad g/cm3 8,93 7,87Punto de Fusión ºC 1 084 1 535

Conductividad Térmica W / m K 370 71Coeficiente de Dilatación x 10-6 16,5 12,0Resistividad Eléctrica μ ohm . cm 1,7 9,7

Resistencia a la Corrosión E, B, R o M Buena Regular

Módulo de Rigidez GPa 120 210

Resistencia a la Tracción MPa 230 – 250 280

Alargamiento % 40 – 50 40

COBRE PURO

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COBRE

R E P A R T O D E L C O N S U M O D E C O B R E

5 0 %

2 3 %

9 %9 %

9 % In d u s t r ia E lé c t r ic aC o n s t r u c c ió nM a q u in a r ia In d u s t r ia l T r a n s p o r t eV a r io s

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COBRECobre Blister: 98,5 %Cu como mínimo obtenido del mineral de Cu.

Cobre electrolítico ETP (Electronic Tough Pitch): 99,9 % Cu y0,02 – 0,05 %O (presente en forma de óxido de Cu).

Obtenido por refinación electrolítica del cobre Blister.

Es muy empleado, y se utiliza en la fabricación de alambres, varillas, planchas, techos, radiadores de autos, etc.

Cobre OFHC: cobre desoxidado de alta conductividad eléctrica. Se obtiene a partir del cobre electrolítico en hornos eléctricos.

Cobre de alta maquinabilidad: con aproximadamente 0,6 % de telurio. Para tornillos, puntas para soldar, dispositivos de control paramotores eléctricos, etc. 16

COBRE

La reducción de porcentaje para tiras se basa en la diferencia de espesor, y para alambres en la diferencia de área.

Designación de estados de acritud

9070Estado extra resorte8560Estado resorte7550Estado extra duro6040Estado duro5030Estado tres cuarto duro4020Estado semiduro2010Estado cuarto duro

AlambreTira

% de reducción aproximadaMediante deformación en fríoEstado de Acritud

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ALEACIONES DE COBRE

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ALEACIONES DE COBRELas aleaciones comerciales más importantes se pueden clasificar como:

LATONES

Aleaciones de cobre y zinc.

Contienen hasta 46% en peso de Zn.

BRONCES

Originalmente se les llamaba así a las aleaciones cobre-estaño, ahora se emplea para designar cualquier aleación de cobre, con excepción del Zn, que contiene hasta 12% del elemento principal de aleación.

Bronces al estaño, silicio, aluminio, berilio, etc.

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LATONES

Latones amarillos α(20 % a 36 % Zn)

Latones rojos α(5 % a 20 % Zn)

(1 fase)(1 fase)

(2 fases)

Latones: α + β(38 % a 46 % Zn)

Latones: α(hasta 36 % Zn)

Clasificación de los Latones(Cu-Zn)

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LATONESSon aleaciones Cu – Zn, hasta un máximo de 46 % Zn en peso.

Dependiendo de la cantidad de Zn pueden ser monofásicos (1 fase) o bifásicos (2 fases).

El color varía de acuerdo con el contenido de Cu desde rojo en las aleaciones al alto cobre, hasta amarillo en los contenidos de 64 % Cu.

Pueden presentar además pequeñas cantidades de plomo, estaño o aluminio.

La variación en composición química dará como resultado las características de color, resistencia mecánica, ductilidad, maquinabilidad, etc.

LATONES ALFA ( α ):

Contienen hasta 36 % de Zn.

Son aleaciones monofásicas.

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LATONES

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LATONES αLATONES ROJOS: 5 a 20 % Zn

Mejor resistencia a la corrosión que el amarillo (20 a 36% Zn).

NO son susceptibles a sufrir corrosión bajo tensión, ni a la dezincificación (pérdida de zinc).

Se emplea para trabajo en frío.

El Bronce Comercial (90Cu-10Zn) para ferretería marina, piezas forjadas, remaches, tornillos, etc. Se le agrega plomo para mejorarle la maquinabilidad.

El Latón Rojo (85Cu-15Zn) para tubos de condensadores e intercambiadores de calor, paneles para radiador, etc.

38462200

754537540

556532030

565929720

585629015

545228010

49492505

DUREZAHB

DUCTILIDADε ( % )

σmáx(MPa)

% Zn

VARIACIÓN DE PROPIEDADES MECÁNICAS

Latones Rojos

Latones Amarillos

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Corrosión bajo tensión (CBT)Puede presentarse en aleaciones (es muy poco habitual en metales puros) cuando están sometidas simultáneamente a la acción de un medio corrosivo y a esfuerzos mecánicos de tracción. Se caracteriza por la aparición de grietas o fisuras que avanzan en la dirección normal a la de aplicación de la tensión. La velocidad de propagación de las fisuras puede variar de unos milímetros por año a varios milímetros por hora.El desplazamiento de la grieta puede ser a través de los granos (transgranular), a lo largo del límite de grano (intergranular) o una combinación de ambos, circunstancia que depende fundamentalmente de las características metalúrgicas de la aleación y del medio agresivo al que esta expuesto.

F

F

Medio

corrosivo

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LATONES α

LATONES AMARILLOS: 20 a 36 % Zn

Combinan buena resistencia mecánica y ALTA DUCTILIDAD.

Son adecuados para operaciones que requieran grandes deformaciones en frío.

SON susceptibles de sufrir corrosión bajo tensión, generalmente en atmósferas de amoniaco.

Después de una fuerte deformación en frío es necesario realizar un recocido de alivio de tensiones a unos 260 ºC.

También están expuestos a sufrir corrosión preferencial o dezincificación en agua de mar o en agua dulce que contienen alto oxígeno y dióxido de carbono.

Pequeñas cantidades de Sn o Sb, minimizan la dezincificación.26

LATÓN alfa (α)

Microestructura de un latón alfa (α)

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LATONES α

Latón para Cartuchería: 70Cu - 30Zn

Remaches, resortes, componentes para municiones, etc.

La adición de 0,5 a 3% de Pb le mejora la maquinabilidad.

Metal Admiralty: 71Cu – 28Zn – 1Sn

El Sn le mejora la resistencia mecánica y a la corrosión.

Tubos de condensadores de intercambiadores de calor en equipos de plantas de energía de vapor.

Latón Alumínico: (76Cu – 22Zn – 2Al)

Se obtiene mejor resistencia a la corrosión.

Se forma una película tenaz que protege a la aleación.28

LATONES α

En los latones α existe un incremento en resistencia mecánica, dureza y ductilidad con un aumento de Zn, mientras que su conductividad térmica y eléctrica disminuyen

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LATONES α


30

LATONES α


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Cuando se agrega un poco de Zn (HC) al Cu (FCC ó CCCa) se produce una solución sólida sustitucional (FCC ó CCCa) con los átomos de Zn y Cu ubicados aleatoriamente en los sitios reticulares.

Pero, si se agrega mas de 38 % de Zn, los átomos excedentes de Zn se combinan con algunos de Cu para formar un compuesto electrónico de CuZn (CCCu).

Ahora coexisten dos fases: una solución sólida de Cu saturado con Zn: “α”, y un compuesto electrónico conformado por CuZn: “β´ ”.

LATONES (α + β’)

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LATONES (α + β’)

(FCC)(HC)

(FCC)α

(BCC)β’

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LATONESLATÓN (α + β’): contienen de 38 a 46% de Zn

Constan de dos fases: α y β’.

La fase β’ es más dura y frágil que la fase α.

Son difíciles de trabajar en frío.

A altas temperaturas la fase β’ se hace muy plástica, por ello tienen excelentes propiedades de trabajo en caliente.

Metal Muntz: 60Cu – 40Zn

Presenta alta resistencia mecánica y excelentes propiedades de trabajo en caliente.

El rápido enfriamiento desde la región β puede suprimir la precipitación de la mayoría de la fase α. 34

LATONESEmpleo en cubiertas de barcos, trabajos de arquitectura, tubos de condensadores, etc.

El metal Muntz plomado contiene de 0,4 a 0,8% de Pb y tiene maquinabilidad mejorada.

Latón Naval (60 Cu – 39,25 Zn – 0,75 Sn)

También conocido como bronce Tobin.

Tiene la resistencia incrementada a la corrosión por agua salada.

Se emplea en placas de condensador, ejes para propelas, bielas, vástagos para válvulas, etc.

El latón naval junto con un 1,75% de Pb tiene maquinabilidad mejorada, se utiliza mucho en ferretería marina.

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BRONCESEl término bronce se aplicó originalmente a las aleacionesCu – Sn.

Ahora se emplea para designar cualquier aleación de cobre, con excepción de las de Cu-Zn, que contienen hasta aproximadamente 12% del elemento principal de aleación.

Los bronces comerciales son sobre todo aleaciones de cobre y estaño, aluminio, silicio o berilio.

Además, pueden contener: fósforo, plomo, zinc o níquel.

BRONCES AL ESTAÑO: contienen entre 1 y 11 % de Sn.

Se les suele llamar bronces al fósforo (fosforosos) ya que éste se halla presente como un desoxidante.

Contiene entre 0,01 a 0,5% de P.36

La influencia del estaño en las propiedades mecánicas del cobre es semejante a la que ejerce el zinc, pero más enérgica.

Con un 5 % de Sn la plasticidad (ductilidad) comienza ya a disminuir.

BRONCES AL ESTAÑO

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BRONCES AL ESTAÑO

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BRONCES AL ESTAÑOLa estructura de un bronce fundido al 10% enfriado rápidamente muestra pequeñas partículas de la fase δ en una matriz dendrítica α.

Los bronces al fósforo se caracterizan por su tenacidad, alta resistencia a la corrosión, bajo coeficiente de fricción y no sufrir corrosión bajo tensión.

Se emplea en discos de embrague, resortes, etc.

Se le añade plomo para mejorar la maquinabilidad y la resistencia al desgaste.

Pueden contener hasta 25% de plomo, se utilizan para bujes y cojinetes sujetos a carga moderadas o ligeras.

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BRONCES AL ESTAÑOEl estaño es escaso, por lo que, como es natural, los bronces al aluminio y al silicio son mas baratos.

Siendo el bronce al berilio el más caro.

La ventaja de los bronces al estaño es su pequeño valor de su contracción durante su solidificación, pero es superado en propiedades mecánicas por los bronces al Si, Al y Be.

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BRONCES AL SILICIOLa solubilidad del silicio en α es 5,3% a 850 ºC y disminuye con la temperatura.

La reacción eutectoide a 555 ºC es muy lenta de modo que las aleaciones comerciales que contienen menos del 5 % de Si en peso, son aleaciones unifásicas.

Son las aleaciones que más se endurecen por deformación en frío.

Sus propiedades mecánicas son comparables a las de los aceros de medio carbono.

Su resistencia a la corrosión es comparable a la del cobre.

Se emplean en: tanques, recipientes a presión, construcción marina y conductos hidráulicos sujetos presión.

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BRONCES AL SILICIO

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BRONCES AL ALUMINIOLa mayoría de los bronces al aluminio comerciales contienen entre 4% y 11 % de aluminio.

Las aleaciones que contienen hasta aproximadamente 7,5 % de aluminio son unifásicas. Las que contienen entre 7,5 % y 11 % de aluminio son aleaciones bifásicas.

Otros elementos como: hierro, níquel, manganeso y silicio se añaden frecuentemente.

El hierro varía entre 0,5 a 5,0 %, incrementando su resistencia y dureza, además de afinar el tamaño de grano.

El níquel hasta 5,0%, tiene el mismo efecto que el Fe en menor proporción.

El silicio hasta 2,0 %, mejora la maquinabilidad.

El manganeso es un desoxidante y también mejora la resistencia.

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BRONCES AL ALUMINIO

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BRONCES AL ALUMINIOBronces al aluminio unifásicas (α):

Contenido de aluminio menor de 7,5 %.

Propiedades de trabajo frío.

Buena resistencia mecánica.

Resistencia a la corrosión por ataque atmosférico y por agua.

Tubos para condensador, recipientes que resisten la corrosión, cubiertas de protección en aplicaciones marinas.

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BRONCES AL ALUMINIOBronces (α + γ2) al aluminio:

Contenido de aluminio mayor a 7,5 %.

Se pueden tratar térmicamente a fin de obtener estructuras semejantes a las del acero al carbono.

Si la aleación bifásica se calienta entre los 815 °C y 870 ºC, luego se templa se formará una estructura acicular parecida a la martensita.

Luego se revienen entre 370 °C y 595 ºC para aumentar la resistencia y la dureza.

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BRONCES AL ALUMINIO

Bronce al 10 % de aluminio.Enfriado en horno.

Templado. Muestra una estructura martensítica.

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BRONCES AL ALUMINIO

40653,5 – 5,53,5 – 5,5---9,5 - 11

5550------1,5 – 2,58 – 10

7042---------6 – 8

ε(%)

σmáx(kg/mm2)

SiFeMnAl

Características Mecánicas(en estado de recocido)

CONTENIDO DE ELEMENTOS, %

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BRONCES AL ALUMINIO

Son las más ligeras de las aleaciones de cobre.Sus propiedades dependerán del porcentaje de aluminio, de su tratamiento térmico y de otros elementos de aleación.Los bronces al aluminio tratados térmicamente se utilizan para engranes, ejes motrices, aletas, piezas de bombas, cojinetes, bujes, herramientas que no formen chispas y dados para estiramiento y conformado.

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BRONCES AL BERILIOLas aleaciones de Cu–Be se producen con contenidos de berilio de

entre 0,6 y 2,0 de Be y con adiciones de cobalto entre el 0,2 y el 2,5 %.

Estas aleaciones pueden ser endurecidas por tratamiento térmico y

trabajado en frío, para obtener resistencias a tracción tan elevadas

como 1463 MPa, que es la mayor resistencia alcanzada en aleaciones

comerciales de cobre.

Se utilizan para herramientas que precisen elevada dureza y que no

produzcan chispa (para la industria química por ejemplo).

TIENEN EL INCONVENIENTE DE SER MATERIALES RELATIVAMENTE

CAROS. 50

BRONCES AL BERILIOLa solubilidad del berilio en la solución sólida α disminuye desde 2,1% a 865 ºC hasta 0,2 % en peso a temperatura ambiente.

Este cambio en solubilidad indica posibilidades de endurecimiento por envejecido.

Las propiedades mecánicas óptimas se obtienen en una aleación que contiene aproximadamente 2,0 % de berilio en peso.

Un ciclo de tratamiento térmico recomendado es:

Solubilizado a 800 ºC

Templado: enfriamiento en agua, luego puede ser deformado en frío.

Envejecido artificialmente a 315 ºC

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BRONCES AL BERILIO

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BRONCES AL BERILIO

Empleo: resortes, alta resistencia mecánica junto con mediana

conductividad eléctrica, piezas duras, herramientas que no produzcan

chispa.

Cuando este bronce choca con un metal o una piedra, no despide

chispas como el acero. Por esto las herramientas de bronce al berilio

se utilizan, por ejemplo, en las minas en donde existe peligro de

explosión.

Su conductividad eléctrica es un 20 % la del cobre, pero con bajos

contenidos de este elemento y pequeñas adiciones de cobalto puede

llegar hasta un 40 % de la del cobre.

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BRONCES AL BERILIOSOLUBILIZADO

Se realiza a una temperatura de 800 ºC.Dependiendo del espesor el tiempo en el horno varía entre: 30 minutos y 3 horas.

TEMPLADO (enfriamiento rápido)Para evitar la precipitación del berilio intermetálico (γ).Puede ser en agua, aceite o en aire forzado.La dureza varía entre: 45 – 85 HRB.

ENVEJECIMIENTO ARTIFICIALLa temperatura se encuentra dentro: 290 – 400 ºC.El tiempo es de aproximadamente 3 horas.La dureza variará entre: 35 – 45 HRC. 54

BRONCES AL BERILIO

3704120Temple en agua desde 800 ºCy envejecido a 325 ºC

1003050Temple en agua desde 800 ºC

DUREZAHB

DUCTILIDADε (%)

σmáx(kg/mm2)

CARACTERÍSTICAS MECÁNICASTRATAMIENTO TÉRMICO

Tabla. Tratamiento térmico y características mecánicas del bronce al berilio: 2,0 % de Be

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BRONCES AL BERILIO

Propiedades mecánicas de dos aleaciones Cu – Be

33 – 37 HRC5 – 81035 – 1140Solubilizadoy envejecido

45 – 65 HRB35 – 50415 – 550Solubilizado

1,60 – 1,80 Be

36 – 40 HRC5 – 81140 – 1240Solubilizadoy envejecido

45 – 65 HRB35 – 50415 – 550Solubilizado

1,90 – 2,15 Be

Dureza% εσ (MPa)CondiciónAleante

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ALEACIONES DE COBRELas aleaciones de cobre son divididos en dos grandes grupos y laUNS (sistema de numeración unificado) los designa mediante cinco números:

ALEACIONES DE COBRE PARA FORJA:

C1XXXX hasta C7XXXX

ALEACIONES DE COBRE PARA FUNDICIONES:

C8XXXX y C9XXXX

Algunos tipos de cobre y aleaciones tienen nombres comunes:

Cobre libre de oxígeno

Metal Muntz (60 Cu – 40 Zn)

Bronce fosforoso (Cu – Sn)

57 58

ALEACIONES DE COBRE

Aleaciones de Cu – Ni y Cu – Ni – Zn (plata de níquel) C7XXXX

Aleaciones de Cu – Al (bronces al aluminio), aleaciones de Cu – Si (bronces al silicio) y diversas aleaciones de cobre zinc

C6XXXX

Aleaciones de Cu – Sn (bronces fosforosos)C5XXXXAleaciones de Cu – Zn – Sn (latones al estaño)C4XXXXAleaciones de Cu – Zn – Pb (latones al plomo)C3XXXXAleaciones de Cu – Zn (latones)C2XXXXCobres y aleaciones de elevado contenido de cobreC1XXXX

Aleaciones para forjaNumeración UNS

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ALEACIONES DE COBRE

Aleaciones para fundición de: Cu – Sn, Cu – Sn – Pb,Cu – Sn – Ni, Cu – Al – Fe, Cu – Ni – Fe y Cu – Ni – Zn.C9XXX

Cobres para fundición, aleaciones para fundición de alto cobre, latones para fundición de varias clases, y aleaciones para fundición Cu – Zn – Si.

C8XXX

Aleaciones para fundiciónNumeración UNS

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PROPIEDADES FÍSICAS DE ALEACIONES DE Cu

3545580Deformado en frío


Radiadores, armazones de linternas, accesorios de lámparas, cerrojos, bisagras, componentes de munición, accesorios de fontanería, remaches.

62105325Recocido

70 Cu30 ZnC26000


Canalones, techos, radiadores de auto, barras de distribución, clavos, remaches, componentes de radio.

4569220Recocido

99,9 Cu0,04 O

C11000(ETP)


Conductores, conductoreshuecos, componentes de transistores, tubos de microondas, rectificadores.

4569220Recocido

99,9 CuC10100

Aplicaciones típicas% ε

σ0,2(MPa)

σmáx(MPa)Estado% en

pesoNúmero

UNS


Tuercas, pernos, partes de vigas, tanques resistentes a la corrosión, componentes estructurales, partes de maquinaria, fontanería, sujeciones para protección marina.

40275550Recocido

95 Cu7 Al2 Fe

C61400

4010701240

Solubilizado, deformado en frío y endurecido por precipitación

Fuelles, manómetros de Bourdon, diafragmas, pernos, arandelas de seguridad, resortes, válvulas, equipos de soldadura.

60190410Solubilizado

99,5 Cu1,70 Be0,20 Co

C17000

Aplicaciones típicas% εσ0,2MPa

σmáxMPaEstado% en

pesoNúmero

UNS

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PROFESOR: PAUL P. LEAN SIFUENTES

SOLDABILIDAD DEL COBRE Y ALEACIONES

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SOLDABILIDAD DEL COBREELEVADA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA

Unas siete veces la del acero a temperatura ambiente.

Cobre: 370 W / (m*K)

Acero: 51 W / (m*K)

Debe aportarse mucho calor para poder fundir los bordes de las juntas a unir.

Lo anterior provoca zonas afectadas térmicamente de mayor anchura.

Se puede decir, como comparación, que se necesita una cantidad de calor para fundir el cobre cinco veces superior al acero.

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ALGUNAS ALEACIONES DE COBRE PUEDEN PRESENTAR ESTE PROBLEMA.

NO SERÁ NECESARIO PRECALENTAR CUANDO LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA SEA RELATIVAMENTE BAJA.

SOLDABILIDAD DEL COBRE

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PROPIEDADES FÍSICAS DE ALEACIONES DE Cu

67


ELEVADO COEFICIENTE DE DILATACIÓN TÉRMICO

Lo que influye durante el calentamiento, en el enfriamiento y en la aparición de tensiones residuales.

Esto unido a la gran cantidad de calor, puede provocar la aparición de deformaciones importantes.

Por lo tanto:

No embridar demasiado las piezas a unir

Seleccionar una secuencia de soldeo adecuada

Reducir el aporte térmico.

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EXPANSIEXPANSIÓÓN TN TÉÉRMICARMICA

M ate ria lC oe ficien te de

expans ión térm ica(°C -1)

A lum in io 24x10 -6

La tón y bronce 19x10 -6

C obre 17x10 -6

P lom o 29x10 -6

A ce ro 11x10 -6

Inva r (N i-F e ) 0 ,9x10 -6


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EXPANSIEXPANSIÓÓN TN TÉÉRMICARMICALa expansión térmica es el cambio de longitud que experimenta un material cuando se incrementa su temperatura. La dilatación o expansión térmica viene expresada por la siguiente relación:

DONDEDONDEε : es la dilatación lineal (elongación térmica)ΔT : es el incremento de temperatura que ha experimentado el materialα : coeficiente de dilatación térmica (°C-1)ΔL : incremento de longitudLo : longitud inicial

LoLT. Δ

=Δα=ε


70

EXPANSIEXPANSIÓÓN TN TÉÉRMICARMICA

Tll

o

Δ=Δ

= .αε Tll o Δ=Δ ..α

Dos barras, una de cobre y otra de acero, ambas de 1 m de longitud, se calientan desde los 20°C hasta 120°C.La dilatación que se producirá en cada barra será:

La barra de cobre se dilataría = 1,7 mmLa barra de acero se dilataría = 1,1 mm


71

LIBRELIBRE TENSADATENSADA

Cuando el calentamiento no es uniforme, o se impide la dilatación y contracción de la pieza, ésta se deforma.


72

SIMULACISIMULACIÓÓN DE LA DEFORMACIN DE LA DEFORMACIÓÓN PROVOCADA N PROVOCADA POR UN CALENTAMIENTO LOCALPOR UN CALENTAMIENTO LOCAL


73

SOLDABILIDAD DEL COBREELEVADA FLUIDEZ

Hace que se utilicen placas de respaldo para evitar pérdidas de metal fundido y descuelgues.

Este problema se presenta en mayor número de ocasiones en las aleaciones de cobre que con los aceros.

Cuando una aleación de cobre presenta de elevada a moderada fluidez debe soldarse siempre que sea posible en posición horizontal.

Aleaciones de cobre de menor fluidez:

Cu-Al, Cu-Ni y Cu-Si.74

SOLDABILIDAD DEL COBRECONDICIÓN SUPERFICIAL

Las superficies deben estar perfectamente limpias de grasa, oxido, etc.

Se debe tener cuidado con las aleaciones Cu-Al y Cu-Si, debido a que forman una capa superficial de óxido que si no es retirada dificultará el proceso de soldeo. Inestabilidad del arco.

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SOLDABILIDAD DEL COBREVAPORIZACIÓN DE ELEMENTOS

Algunos de los elementos de aleación vaporizan a muy baja temperatura: Zinc, cadmio y fósforo.

Puede motivar la formación de poros además de humos tóxicos.

Se deben realizar los cordones a altas velocidades de soldeo.

Se puede emplear materiales de aportación con pequeñas cantidades de esos elementos.

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SOLDABILIDAD DEL COBRESOLDEO DE COBRES NO DESOXIDADOS

El óxido de cobre que inicialmente estaba al azar se reagrupa formando un eutéctico (Cu2O) en los límites de granos.

Este eutéctico (oxido de cobre) formará una red, en los límites de grano, que hará que la soldadura sea frágil, presentándose grietas.

En presencia de hidrógeno, de igual manera, la unión soldada será frágil, debido a que se forma vapor de agua en los bordes de grano.

Evitar realizar cordones con oscilación, pues se puede absorber gran cantidad de oxígeno.

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SOLDABILIDAD DEL COBRELos cordones deben ser rectos (con oscilaciones muy pequeñas).

NO SE RECOMIENDAN SOLDAR, POR PROCESOS DE FUSIÓN, LOS COBRES NO DESOXIDADOS, YA QUE SE FRAGILIZA EL CORDÓN DE SOLDADURA CON APARICIÓN DE GRIETAS.

Emplear procesos de soldeo en estado sólido como fricción, soldeo fuerte, etc.

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PROCESO DE SOLDADURA EMPLEADOSEL COBRE Y MUCHAS DE SUS ALEACIONES PUEDEN SER SOLDADOS MEDIANTE PROCESOS DE SOLDEO POR ARCO.

Los procesos de soldeo que emplean un gas de protección son generalmente preferidos.

Se puede emplear los procesos: GTAW o GMAW.

También se puede usar el proceso SMAW pero para aplicaciones de poca responsabilidad, incluyendo la reparación de componentes.

El oxigas se puede emplear, pero no es recomendable debido a que se deforman más las piezas.

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PROCESO DE SOLDADURA TIGEste proceso es particularmente utilizado para la soldadura de espesores de hasta 3,0 mm con una preparación de bordes rectos y sin bisel y, a menudo, sin metal de aportación.

Espesores mayores, requieren normalmente metal de aportación, NO suele utilizarse en espesores mayores de 12 mm.

El tipo de corriente normalmente utilizado es la continua, con polaridad directa, que permite utilizar electrodos de menor diámetro, para una intensidad dada, y proporciona una buena penetración.

La corriente alterna estabilizada por una de alta frecuencia es utilizada para la soldadura de Cu-Al y Cu-Si para eliminar más fácilmente la capa de óxido superficial de estas aleaciones. 80

PROCESO DE SOLDADURA TIGLos valores de corriente utilizados para la soldadura del cobre son superiores a la necesaria para la soldadura de sus aleaciones.

Esta disminución es debida a su menor conductividad térmica de las aleaciones, siendo tanto menor la intensidad necesaria cuanto menor sea la conductividad.

Para este tipo de materiales pueden utilizarse cualquiera de loselectrodos normalizados, siendo uno de los más utilizados el EWTh-2 (1,7–2,2% Th) por su buen comportamiento, vida larga y gran resistencia a la contaminación.

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PROCESO DE SOLDADURA MIGLos efectos perjudiciales de la presencia de oxígeno (pérdida de resistencia y ductilidad), descritos anteriormente, son más acusados en este proceso, comparado con TIG, por los mayores aportes térmicos asociados.

En contrapartida para cobres desoxidados se obtienen mayores valores de resistencia mecánica y ductilidad.

Los cordones de soldadura deben depositarse sin movimiento de vaivén, o como máximo con un ancho de onda pequeño para evitar oxidaciones.

Si la conductividad no es la propiedad más importante, pueden utilizarse como material de aportación alambres con Si o Al. 82

PROCESO DE SOLDADURA SMAW

La soldadura SMAW de cobre y aleaciones están normalmente restringidas a la posición plana y limitadas a bronces fosforosos, bronces al aluminio y cuproníqueles, siendo estas últimas las que mejor responden a este proceso de soldadura.

Para el resto de aleaciones es muy difícil cumplir los requisitos de los códigos si se suelda por este procedimiento.

Este proceso encuentra su mayor aplicación en la soldadura de aleaciones Cu-Ni cuando el acceso a la unión está dificultado y limitado a un solo lado.

COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS APORTES

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DISEÑO DE JUNTASDiseño de juntas recomendadas para el soldeo de cobre y sus aleaciones se muestran en las figuras 3.1 y 3.2.

La figura 3.1 muestra diseño de juntas apropiadas para los procesos GTAW y SMAW.

La figura 3.2 muestra diseño de juntas apropiadas para el proceso GMAW.

EL DISEÑO DE LAS JUNTAS PRESENTAN MAYORES ÁNGULOS DE ABERTURA QUE LOS EMPLEADOS PARA EL SOLDEO DE ACEROS.

SE REQUIEREN MAYORES ÁNGULOS PARA PROPORCIONAR UNA ADECUADA FUSIÓN Y PENETRACIÓN EN LAS ALEACIONES DE COBRE QUE PRESENTAN ALTA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA.

TEMPERATURAS DE ALIVIO DE TENSIONES TEMPERATURAS DE RECOCIDO

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GAS DE PROTECCIÓNSe emplea argón, helio o una mezcla de ambos como gases de protección para el soldeo del cobre y sus aleaciones.

Generalmente se emplea argón para espesores menores a 3,3 mm o cuando la aleación presenta baja conductividad térmica.

Se puede emplear pequeñas adiciones de nitrógeno o hidrógeno para incrementar el calor aportado.

Cuando la conductividad térmica es alta se recomienda emplear helio o una mezcla de 75 % de helio y 25 % de argón.

TAMBIENTE

5,5

GAS – TEMPERATURA DE PRECALENTAMIENTO SOLDEO DE LOS LATONESEl mayor problema es la vaporización del Zn. Es un metal que funde y se vaporiza a muy bajas temperaturas.

Ello favorece la formación de poros en las soldaduras.

Se recomienda:

Emplear metales de aportación que no contengan Zn.

También se puede emplear aportes con bajo contenido en Zn, inferiores al metal base.

Dirigir el arco preferentemente hacia la varilla en lugar de hacia el metal base en GTAW.

LOS LATONES DE ALTO CONTENIDO EN ZINC NO ES NECESARIO PRECALENTARLOS Y NO DEBEN PRECALENTARSE POR EL PELIGRO DE FORMACIÓN DE VAPORES.

SOLDEO DE LOS LATONES

ADVERTENCIA

La inhalación de humos de óxido de zinc en cantidades que excedan de 5 mg/m3 (límite de tolerancia) produce un estado con escalofríos, fiebre y náuseas que se presenta de 4 a 8 horas después de la exposición, y que desaparece dentro de las 24 horas.

SOLDEO DE LOS BRONCES Cu – SnEl mayor problema es la facilidad de formación de grietas.

Se recomienda:

Realizar un martillado de cada cordón cuando está caliente.

Emplear la mayor velocidad de soldadura posible.

Usar cordones rectos (no emplear oscilación).

El baño de fusión debe ser pequeño.

En muchos casos será necesario precalentar a unos 200 °C, por la baja fluidez. No será necesario precalentar en el caso de MIG en transferencia pulverizada (spray).

Para mejorar la ductilidad de la unión se puede realizar un tratamiento térmico a unos 480 °C con un enfriamiento rápido.

SOLDEO DE LOS BRONCES Cu – Be

ADVERTENCIA

Las partículas de berilio suspendidas en el aire son cuando se inhalan un riesgo para la salud.

Deben seguirse estrictamente las recomendaciones sobre protección respiratoria y ventilación.

SOLDEO DE LOS BRONCES Cu – Be

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TRABAJO GRUPALELABORACIÓN DE PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA

WPSs-preliminar

PROCEDIMIENTO 1Se desea realizar una especificación de un procedimiento preliminar para unir dos planchas de cobre con las siguientes características:

- Designación: C10200 - Espesor: 2,5 mm- La unión formará parte de un conductor eléctrico y no soportará altos

esfuerzos.

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TRABAJO GRUPALPROCEDIMIENTO 2

Elabore el procedimiento de soldadura preliminar para el soldeo de una aleación de cobre, que presenta las siguientes características:

- Designación: 75 Cu – 25 % Zn- Espesor: 25,4 mm- La unión se ubicará en un ambiente en el cual podrá sufrir corrosión bajo

tensión.- La unión debe presentar buenas propiedades mecánicas.