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.

Figura 7.1-1. Esquema de Chancado.

Figura 7.1-2. Camin descargando mineral en el chancador.

Figura 7.1-3. Vista superior de un chancador primario.

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 7.1-4. 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.

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

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.

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 La Escondida.

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 los decantadores, 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 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.

Figura 7.1-11. Diagrama de Horno Reverbero.

Figura 7.1-13. Vista de un Horno Flash.

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 segn las siguientes reacciones:

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

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.

Figura 7.1-14. Diagrama Horno Convertidor.

Figura 7.1-15. Convertidor Teniente.

Figura 7.1-16. Moldeo de cobre blister.

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 convertidor cargado 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 y contiene 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 7.1-17. Detalle de la Rueda de Moldeo de El Teniente.

Figura 7.1-18. Nave Electroltica.

Figura 7.1-19. Diagrama de la Refinacin Electroltica.

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 de reverbero. 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 como poling. 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.

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.

Figura 7.1-20. Wirebars.

Figura 7.1-21. Moldeo de wirebars.

Figura 7.1-22. Piscinas de Lixiviacin.

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 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.

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

Figura 7.2-1. Cobre con partculas de xido.

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%. El oxgeno produce partculas de Cu2O, que aparecen como glbulos dispersos en el cobre, Figura 7.2-1.

Figura 7.2-2. Fragilizacin del Cu que contiene O por calentamiento sobre 300C en atmsfera rica en H.

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:

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 o trmicamente. 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 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 Mecnicas

El cobre puro comercial slo puede endurecerse por deformacin, siendo sus principales propiedades mecnicas las siguientes:

EstadoTensin Mxima

(MPa)Tensin de Fluencia

0,2% (MPa)% Elongacin

Ruptura

02306045

duro26019025

duro 30025014

4/4 duro3503206

7.2.2 Procesamiento del Cobre

Tratamientos 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.

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 deformacin en fro previa, sobre la dureza del Cu-a1 en recocidos de una hora.

7.3 Aleaciones de Cobre

A continuacin se hablar de cobre con contenidos de aleacin menores a 2,5%. 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 & BronzesOther Copper Alloys

CoppersCadmium CopperBeryllium CopperChromium CopperBrassesSilicon BrassesTin BrassesLeaded BrassesPhosphor BronzeAluminum BronzesCopper NickelsNickel SilversCopper TitaniumCopper TinsLeaded Coppers

7.3.1 Elementos de aleacin que favorecen el endurecimiento por deformacin

AleacinEstadoTens. Mx.

MPaTensin

Fluencia

MPa% ElongacinConduct

IACS

Cu-a102306045100

Cu-a1H143503206

CuCd (1,0%)0260804586

CuCd (1,0%)H145204803

CuCd O, 8% Sn O,6%028067

CuCd O, 8% Sn O,6%H1476062

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 recristalizacin

Estos 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.

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 - CromoPuntoABCDE

C10831070107014701070

%Cr00.65(1.537(100

PuntoFGHI

C1000800600400

%Cr0.40.150.07< 0.03

% en Peso de CromoFigura 7.3-1. Diagrama de fase Cobre-Cromo.

Datos diagrama Cobre - CirconioPuntoABCDE

C1083965965965900

% Zr090.1590.08

PuntoFG

C750500

% Zr0.030.01

% en Peso de CirconioFigura 7.3-2. Diagrama de fases Cobre-Circonio.

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

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:AleacinEstadoTens. Mx.

(MPa)Tensin

Fluencia

(MPa)% ElongacinConductividadIACS

Cu-CrPrecipitado4003001580

Cu-CrPrecipitado +

Def. en fro520450680

Cu-ZrPrecipitado +

Def. en fro370300592

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:AleacinTemp. SolucinTemp. Envejecimieto

Cu-Cr y CuCrZr 950-1000450-500

Cu-Zr925400-500

7.3.5 Latones

Los latones son aleaciones en base a Cobre y Zn, contienen tpicamente entre 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.PuntoABCDE

C1083902902902834

%Zn032.536.837.656.5

PuntoFGHIJ

C834454454468468

15060.039.045.548.957.5

PuntoKLMN

C150200200200

%Zn33.646.650.659.1

a) Latones binarios

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 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.

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

Figura 7.3-5 Microestructura de latn monofsico, fase (.

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

b) Latones al plomo

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 fundicin en coquilla.

CuZn23Al4Mn3: Aleacin de fundicin de alta resistencia.

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 ms de 15 % Zn en medios que contienen amonaco.

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

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

El mecanizado

La siguiente tabla da una comparacin para diferentes aleaciones, manteniendo la velocidad de corte constante:

AleacinVeloc de Corte

m/minIndice

Mecanizado

CuZn40Pb3610100

CuZn39Pb252085

CuZn2831051

CuSn822537

Acero Mecanizado19532

Acero Aleado11719

Fundicin Ferrtica10517

Acero Templado274

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.

7.3.6 Bronces

Los 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 del bronce 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.

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

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) Bronces de laminacin

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 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.

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.

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

7.3.7 Cuproaluminios

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

a) Cuproaluminios monofsicos (()

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

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.

Figura 7.3-12. Microestructura de CuAl9,8 : (a) Templado en agua; (b) Enfriado lentamente a 800C y templado; (c) Enfriado lentamente a 650C y templado; (d) Enfriado lentamente a 500C y templado.

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 TrmicoTens. Fluencia

MpaTens. Mx

Mpa% ElongacinDureza Bhn

CuAl9,8Calentamiento a 900C seguido de:

Temple hasta temperatura ambiente3206804225

Enfriamiento lento hasta 800C + temple3006009216

Enfriamiento lento hasta 600C + temple15043017138

Enfriamiento lento hasta 500C + temple1353005136

CuAl9,4Calentamiento a 900C seguido de:

Temple hasta temperatura ambiente19076029187

Temple + revenido 1 hr a 400C21076029185

Temple + revenido 1 hr a 600C24070034168

Temple + revenido 1 hr a 650C22065048150

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.

Figura 7.3-13. Variacin de propiedades mecnicas de aleaciones Cobre-Aluminio, en funcin del porcentaje de Al.

Debido a la fase ( estas aleaciones son particularmente aptas para el trabajo en caliente y la soldadura. Estas aleaciones bifsicas o polifsicas son 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.7.3.8 Aleaciones Cupro- Nquel

Figura 7.3-14. Diagrama de fases cobre-nquel

El cobre y el nquel son mutuamente solubles en todas las proporciones como lo indica el diagrama de fases de la Figura 7.3-14.

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 CuNi44Mn se 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.

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.

Una sntesis de propiedades mecnicas de aleaciones cupronquel se muestra en la siguiente tabla:

Aleaciones BinariasTensin de Ruptura

MPaLmite Elstico

0.2% (Mpa)% ElongacinDureza

Vickers

CuNi5270904565

CuNi203301354385

CuNi253501454390

CuNi303601504095

CuNi44Mn47020040110

Aleaciones con adicin de Fierro

CuNi5Fe2801004070

CuNi5Fe1Mn3201204075

CuNi5Mn1Fe37515540100

(c)

(a)(b)

H15

H14

H12

H11

Elongacin

% en 50mm

Carga a Ruptura

(MPa)

Dureza Vickers (HV)

Lmite Elstico 0.2%

(MPa)

H15

H14

H12

H11

H15

H14

H13

H12

H11

200

180

160

140

120

100

80

60

40

H11

H12

H14

H15

70

60

50

40

30

20

10

0

0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Zinc % en masa Zinc % en masa

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

Duracin del recocido

Influencia del % de reduccin de rea previa en fro y de la duracin del recocido sobre la temperatura de recristalizacin de los latones.

(a)(b)

70 65 60 55

50

20

10

5

2

Carga a Ruptura

Elongacin

Elongacin

Carga a Ruptura

450 400 350 300

CuSn9P

CuSn4P

Tamao de

grano (m

Elongacin (%A)

Carga a Ruptura

(MPa)

Tasa de reduccin (%)

(a) (b)

(c)(d)

% Zinc

Figura 7.33 Diagrama de fases Cu - Zn

PAGE 155

_913540357.doc

_1225656324.doc

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Temp C

D

E

C

F

G

H

I

1200

1100

1000

900

800

700

600

500

400

300

B

A

(

L+(

(+Cr

L+Cr

L

_1257142251.doc

Temp C

1500

1400

1300

1200

1100

1000

500

400

300

200

100

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Porcentaje en masa de Nquel

L + (

(

Ferromagntico

(

Paramagntico

Lquido

_913531477.doc

0 0.1 0.2 0.3 0.4

965

D

B

C

A

E

F

G

(+ ZrCu3

(

Lquido + (

Lquido

Temp C

1100

1000

900

800

700

600

500

_913116667.doc

Esfuerzo a Tensin en ton/in2 y % Elongacin

Elongacin

80

75

70

65

60

55

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

Esfuerzo a Tensin

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

Porcentaje de Aluminio