Materiales_Conductores

Materiales para conductores

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3.1 Introducción Los materiales para conductores son materiales que generalmente se comercializan en forma de hilos, cables y pletinas, destinados a la conducción de la electricidad, bien en líneas de transporte y distribución de energía eléctrica, bien formando parte de circuitos de máquinas eléctricas. Los materiales conductores destinados a este tipo de aplicaciones deben tener como característica común una alta conductividad para que las pérdidas de energía sean pequeñas. En este sentido, los metales puros son los conductores por excelencia al tener superpuestas sus bandas de valencia y de conducción. Ahora bien, la conductividad de cada uno es distinta en función de la cantidad de portadores de carga y de la movilidad de éstos. La cantidad de portadores depende de su estructura electrónica y, por tanto, del tipo de metal, pero la movilidad está influida, fundamentalmente, por las imperfecciones de la red cristalina (regla de Matthiessen). Consecuentemente, los metales puros serán mejores conductores que sus aleaciones. También, las deformaciones en frío, que producen acritud (pérdida de ductilidad y maleabilidad) y aumentan la resistencia mecánica, disminuyen la conductividad, es decir; el estado de recocido será el de máxima conductividad. Según lo anterior, desde el punto de vista de la conducción eléctrica, interesa utilizar metales puros en estado de recocido (sin acritud). El problema es que, en estas condiciones, la resistencia mecánica es baja y son muchas las aplicaciones en las que se utilizan frecuentemente aleaciones de metales buenos conductores con otros que, aunque disminuyen la conductividad eléctrica, los hacen más resistentes. Un buen ejemplo es el uso de los bronces1 y latones (Cu-Zn) en lugar de cobre en ciertas aplicaciones como clavijas, conectores y elementos de unión para contactos. En la Tabla 1 se recogen las resistividades de los metales. Están ordenados de mayor a menor conductividad. Puede observarse que el mejor conductor es la plata pero, sin embargo, su uso está limitado por su alto precio a algunos tipos de contactos. El metal más usado como conductor es el cobre seguido del aluminio.

Tabla 1. Resistividad de los metales a 20ºC (Ω mm2/m)

1 Aleaciones binarias de Cu con cualquier otro elemento, excepto el Zn


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3.2 El cobre y sus aleaciones El cobre posee una alta conductividad eléctrica y térmica que lo convierte en el metal más utilizado en la fabricación de conductores. Es un metal de color rojizo muy dúctil y maleable, lo que permite conformarlo fácilmente en hilos, tubos y chapas. Por trabajo en frío se hace frágil y duro, por lo que para recuperar su maleabilidad, es preciso recocerlo a 580-628ºC y enfriarlo en agua. La mayor parte del cobre se extrae de minerales que contienen sulfuros de cobre y de hierro. Mediante afino térmico se obtiene el llamado "cobre comercial ordinario", "cobre HC térmico tenaz2 o también "cobre recocido". Aunque se utiliza para algunas aplicaciones, la mayor parte de éste se refina electrolíticamente para producir " cobre comercial ordinario electrolítico" (ETP)3. Este cobre electrolítico contiene aproximadamente un 0,04% de oxígeno, el cual es casi insoluble en este cobre y forma óxido de cobre (Cu20) interdendrítico cuando el cobre está en estado fundido. Aunque para la mayoría de las aplicaciones, el oxígeno en el cobre electrolítico es una impureza insignificante, cuando se calienta el cobre a una temperatura mayor de 400ºC en una atmósfera con hidrógeno, éste puede difundirse en el cobre sólido y reaccionar con el óxido de cobre interno para formar vapor de agua.

Cu2O+H2 (disuelto en Cu) → 2Cu + H2 O(vapor) Estas grandes moléculas de agua no se difunden de forma rápida por lo que originan poros (particularmente en los límites de grano) que hacen al cobre quebradizo. Para evitar esta fragilidad en el cobre se añade un desoxidante y se funde en una atmósfera de gas inerte. Así, al cobre obtenido por este método se le denomina “cobre de alta conductividad libre de oxígeno”(OFHC4). 3.2.1. Propiedades del cobre Las propiedades más destacables del cobre, referidas al cobre recocido, a 20ºC, son las siguientes:

Estructura cristalina: Cúbica Centrada en las Caras. Punto de fusión: 1083ºC Punto de ebullición: 2590ºC. Densidad: 8,695 gr/cm3. Conductividad térmica (0-100ºC): 0,94 cal.cm-1 seg-1.ºC. Conductividad eléctrica relativa6: 100% IACS Resistividad eléctrica: 1,7241 μΩcm.

2 HC, iniciales de Hight Conductivity y tenaz porque se comercializa en estado recocido (Cu = 99%). 3 Electrolytic Tough-Pich del 99,95% de pureza 4 OF, iniciales de Oxigen Free. 5 Tres veces más pesado que el aluminio: Al (2,699 gr/cm3). 6 Las conductividades relativas se miden con respecto a la del cobre recocido, adoptado desde 1913 como standard de conductividad 100%, y que se designa como IACS (Intemational Annealed Copper Standard).


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Coeficiente de expansión lineal (α):

Cº por10 x 6,16ll 6−==

Δα

Resistencia a la rotura7: 22 Kg/mm2. Límite de elasticidad8: 4 kg/mm2. Alargamiento de rotura9: 40 %.

En la Tabla 2 se muestran las conductividades eléctricas y térmicas relativas de algunos materiales.

Tabla 2. Conductividades eléctricas y térmicas relativas Esta elevada conductividad eléctrica del cobre (5,88. 105 Ω-1cm-1) solamente superada por la plata (6,21. 105 Ω-1cm-1), variará en función de la temperatura, el estado de acritud, y por supuesto, con la presencia de posibles elementos de aleación. a) Los elementos de aleación reducen considerablemente la conductividad del cobre, tal y

como se puede apreciar en la figura 1. Cuanto más insoluble en cobre sea un elemento, menor será su efecto sobre la conductividad. Una excepción es la plata, que aún en porcentajes relativamente altos, apenas presenta algún efecto sobre la conductividad. Los que sí disminuyen de forma drástica la conductividad eléctrica del cobre son ciertos elementos como fósforo, arsénico y silicio. Estos habrán de eliminarse para aplicaciones que requieran del cobre una muy alta conductividad.

Figura 1. Efecto de los elementos de aleación sobre la conductividad eléctrica del cobre

7 Máxima tensión alcanzada en la curva tensión-deformación. 8 Tensión a la cual un metal o aleación muestra una deformación plástica significativa. Se establece normalmente cuando tiene lugar un 0,2% de deformación plástica. 9 Informa de la ductilidad (a mayor ductilidad mayor deformabilidad)


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Conociendo el contenido de impurezas en tanto por ciento, la pérdida de conductividad del cobre puro viene dada por:

b = α β donde: b = pérdida de conductividad en %. α = proporción de impurezas en %. β = un coeficiente experimental (Tabla 3) A su vez, la resistividad del cobre impuro (ρ’) y la del cobre puro (ρ) estarán relacionadas con la pérdida de conductividad mediante la siguiente relación:

b100 x 1

11'

=−

ρ

ρρ

de donde se deduce que la resistividad del cobre impuro:

b 001,01'

−=

ρρ

Tabla 3. Valores del coeficiente β para la pérdida de conductividad del Cu con las impurezas

b) Temperatura. Al igual que ocurre con otros metales puros, la resistividad eléctrica

aumenta con la temperatura, según la fórmula empírica:

)1(0 tT Δ+= αρρ donde:

ρT: resistividad eléctrica a la temperatura T. ρ0:resistencia eléctrica a Tamb. α: coeficiente térmico de resistividad ( 0,00393/ºC). Δt: Variación de temperatura (T- Tamb).

c) La acritud va a influir en la conductividad de forma que al aumentar la acritud y,

consecuentemente la resistencia mecánica, disminuye la conductividad (Tabla 4).


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Tabla 4. Conductividad relativa del cobre (IACS) en función del grado de acritud

Como ya se ha comentado, para ciertas aplicaciones el cobre debe estar libre de oxígeno o con cantidades añadidas de desoxidantes para evitar la formación de óxido de cobre. Este cobre exento de oxígeno posee una excelente plasticidad y buenas propiedades de soldeo. Sin embargo, como para eliminar el oxígeno recurrimos a la adición de desoxidantes (como fósforo), éste hace que disminuya marcadamente la conductividad y aumente la dureza del cobre. Por tanto, a mayor dureza del cobre, menor conductividad. Debido a la pérdida de conductividad eléctrica, si los hilos que se utilizan como conductores no tienen que ser de una resistencia mecánica especial, se emplea cobre recocido. Para los cables suspendidos (líneas de alta tensión) en los que se necesita alta resistencia mecánica, se utiliza cobre con acritud o con la adición de endurecedores (ej: l% de cadmio). Otras propiedades responsables de las aplicaciones del cobre son su alta conductividad térmica, por lo que se utiliza en intercambiadores de calor, tubos de condensadores y aparatos calefactores), así como su gran ductilidad y aceptables propiedades mecánicas. Por otra parte, presenta una elevada resistencia a la corrosión atmosférica, pues a temperatura ambiente el cobre reacciona con oxígeno recubriéndose de una capa superficial de óxido (Cu2O) que lo protege de posteriores oxidaciones. Esta capa de óxido supone un aislamiento, por lo que, en los casos en que el extremo del conductor necesite hacer un buen contacto, se recubre con una capa de estaño (Sn). 3.2.2 Aleaciones de cobre Como ya se ha comentado, la única razón para utilizar aleaciones en lugar de cobre puro es mejorar algunas características mecánicas, aún a expensas de perder conductividad. Este efecto se puede apreciar en la Tabla 5, donde se recogen las propiedades eléctricas de los distintos tipos de cobre y de las aleaciones más conocidas, como son los latones y bronces.

Tabla 5. Propiedades eléctricas de algunas aleaciones de cobre


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En lo que sigue, se presentarán algunas de las aleaciones de cobre más utilizadas para el transporte de corriente en tecnología eléctrica. Aleaciones Cu-Cd y Cu-Cd-Sn Con anterioridad se comentó la posibilidad de adicionar endurecedores al cobre con el fin de aumentar su resistencia mecánica, a expensas de sufrir una pérdida de conductividad. Ejemplos de éstos son el Cd y el Sn, cuyos efectos sobre estas propiedades se pueden apreciar en la Tabla 6, donde se presentan algunas de estas aleaciones.

Tabla 6. Aleaciones Cu-Cdy Cu-Cd-Sn

Las aleaciones Cu-Cd se utilizan para conductores de alta tensión y electrodos de soldadura por puntos. Las Cu-Cd-Sn se emplean en alambres destinados a instalaciones telefónicas (bronces telefónicos). Aleaciones de Cu endurecibles por envejecimiento El envejecimiento o maduración, es un tratamiento (temple seguido de revenido) que aplicado a ciertas aleaciones, entre ellas algunas base cobre, provoca la precipitación secundaria (en función del elemento de aleación utilizado) de partículas duras, fortaleciendo la aleación. Los elementos de aleación que, con el cobre, dan lugar a este tipo de aleaciones son el Zr, el Cr y el Be. Aleaciones Cu-Zr En la figura 2 se representa el diagrama de equilibrio Cu-Zr y en la fig. 3 la influencia del circonio en la resistencia mecánica y la conductividad, después de la maduración. Figura 2. Diagrama de equilibrio Cu-Zr

Figura 3. Influencia del Zr en las propiedades de las aleaciones Cu-Zr endurecidas por envejecimiento


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Como puede observarse, con pequeños contenidos de Zr, menores de 0,20%, se pueden conseguir cargas de rotura importantes, superiores a 45 Kg/ mm2 con conductividades mayores del 80% y temperaturas de ablandamiento próximas a los 600ºC. El ablandamiento se producirá cuando entremos en la zona OAC del diagrama de equilibrio, con lo que las partículas duras de Cu3Zr se disolverán en la fase α. Estas aleaciones Cu-Zr se emplean para colectores10 de máquinas eléctricas rotativas y conductores muy cargados térmica y mecánicamente. Aleaciones Cu-Cr

Figura 4. Diagrama de equilibrio Cu-Cr A la vista de su diagrama de equilibrio (figura 4) se desprende un comportamiento similar a la anterior. Su principal característica es que mantiene sus características mecánicas elevadas a altas temperaturas (σR = 28 Kg/mm2 a 400ºC). Se emplea para electrodos de máquinas de soldar y elementos de máquinas que requieran alta conductividad y elevada resistencia mecánica. Aleaciones Cu-Be En la figura 5 se muestra su diagrama de equilibrio. Como puede verse, la solubilidad máxima del Be en el Cu es 2,7% a 864ºC, mientras que a la temperatura ambiente es solo 0,1%. Por este motivo, los porcentajes utilizados suelen ser menores de 2,3% de Be.

Figura 5. Diagrama de equilibrio Cu-Be

10 Anillo de cobre al que se aplican las escobillas para comunicar el inducido con el circuito exterior.


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En el temple se parte de un estructura α+γ en la que γ es gruesa. Calentando hasta obtener únicamente la fase α, después del temple tendremos α sobresaturasa y, posteriormente, en la maduración, la precipitación fina de la fase γ produce el endurecimiento. Por este procedimiento se llega a conseguir unas características mecánicas muy buenas, con un aceptable valor de conductividad. Estas aleaciones se emplean fundamentalmente para resortes (muelles) que deban ser conductores. Aleaciones de Cu de fácil mecanización Estas aleaciones se caracterizan por la presencia de elementos muy poco solubles o insolubles en cobre, facilitando así la rotura de la viruta. Las más utilizadas son:

• Aleaciones Cu-Fe (0,3 a 0,7% de Fe). Conductividad = 94 a 98% IACS. • Aleaciones Cu-S (0,4 a 0,5% de S). Conductividad = 95% IACS. • Aleaciones Cu-Pb (0,5 a 1,0% de Pb). Conductividad = 96% IACS.

Estas aleaciones se emplean cuando hay que fabricar piezas tales como tuercas, arandelas, tornillos, etc., en serie. Por ultimo señalar que, tanto el cobre como sus aleaciones, cuando hay que producir contactos y hay peligro de oxidación, pueden recubrirse de Sn, Ag o Ni. 3.2.3 Aplicaciones del cobre y sus aleaciones El mayor campo de aplicación de estos materiales es la Ingeniería Eléctrica/Electrónica, que consume alrededor del 50% de la producción mundial, para la fabricación de cables conductores, motores, generadores, transformadores y en telecomunicaciones. Una importante ventaja del cobre para aplicaciones eléctricas es la facilidad con que pueden unirse los conductores, bien por medios mecánicos, bien por soldadura, en comparación con el aluminio, cuya capa superficial de oxido ofrece una elevada resistencia eléctrica. En cuanto a los futuros métodos de generación de energía eléctrica, el cobre se ha usado en plantas experimentales de producción magnetohidrodinámica de corriente mediante el paso de vapor a muy alta temperatura a través de un intenso campo magnético. El imán, diseñado para obtener una intensidad magnética vertical de 40 kilogauss, estaba alimentado por 68 toneladas de cobre de alta conductividad. Por otra parte, el cobre exento de oxígeno (OFHC) es esencial para componentes electrónicos que requieran una elevada conductividad con un bajo nivel de elementos volátiles cuando se trabaja en vacío. Algunos usos menores de la industria eléctrica tradicional ven reducirse continuamente las aplicaciones del cobre, por ejemplo, los casquillos de bombillas, tradicionalmente fabricados en latón y que hoy día se fabrican de aluminio.


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El uso de los conductores de cobre se verá significativamente afectado en el futuro si se desarrolla a gran escala la Ingeniería de los Superconductores. El cobre alcanza su máxima eficacia como conductor a 20ºC, pero es inferior a las nuevas aleaciones y materiales cerámicos que son superconductores a la temperatura del nitrógeno liquido (77º K). 3.3 El aluminio y sus aleaciones El aluminio, elemento escaso y caro hace un siglo, presenta una combinación de propiedades que le convierten en un material extremadamente útil para distintas aplicaciones. Sin duda, es el metal, después del acero, con mayor volumen de producción y esto a pesar de que el período comprendido desde los comienzos de su obtención industrial hasta su empleo masivo en los últimos tiempos apenas cubre cien años. El aluminio puro es un metal de color plateado brillante, ligero, no tóxico, con altas conductividades térmica y eléctrica, excelente resistencia a la corrosión, y es el segundo metal después del oro en cuanto a maleabilidad y el sexto en cuanto a ductilidad. Se trata del elemento metálico más abundante de la corteza terrestre, de la que forma parte en una proporción del 8,1%, superior a la del hierro (5%), y solamente superada por el oxigeno (46,60%) y el silicio (27,7%). No se encuentra puro en la naturaleza, sino formando parte de los minerales, de los cuales los más importantes son las bauxitas, que constan principalmente de alúmina (Al2O3), óxido de hierro (Fe2O3), sílice (SiO2) y agua de hidratación (H2O)

El aluminio se obtiene hoy, en casi todo el mundo, por un proceso en dos fases (Fig.6):

a) Proceso químico de obtención de alúmina anhidra de gran pureza a partir de

bauxita, y b) Electrólisis de esta alúmina según el principio de Hall-Héroult.

La primera fase del proceso es conocida como Proceso Bayer. Se trata de un procedimiento hidrometalúrgico de separación y extracción, muy eficaz y selectivo, en el que se obtiene alúmina deshidratada (Al2O3) que es la materia prima para la obtención del aluminio primario en el proceso de electrólisis. En cuanto a los rendimientos del proceso Bayer hay que señalar la necesidad de tratar de cuatro a cinco toneladas de bauxita para obtener dos toneladas de alúmina. En el proceso electrolítico, la alúmina (Al2O3) se disuelve en un baño fundido de criolita (a fin de rebajar su punto de fusión desde unos 2000ºC hasta 960-1000ºC), y se electroliza en una cuba electrolítica usando ánodos y cátodos de carbono. Al pasar una elevada intensidad de corriente (de 150 a 180 kA) entre el ánodo y el cátodo a través del baño electrolítico, se produce la reducción de la alúmina a aluminio y oxígeno. El oxigeno reacciona con el carbono del ánodo desprendiéndose CO y CO2 y el aluminio, más pesado que el baño, se deposita en el fondo de la cuba. Este proceso requiere de grandes cantidades de energía eléctrica, así las plantas más modernas consumen entre 12 y 14 kw/hr por kilogramo de aluminio.


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El aluminio depositado en el fondo de la cuba, a intervalos regulares, es sifonado por depresión a los crisoles que alimentan a un horno de mantenimiento donde el metal líquido permanece algunas horas a fin de mezclar aluminio de diferentes cubas y efectuar su desgasificación y desescoriado. Posteriormente, se le criba y cuela en conformados de distintos tipos.

PROCESO“BAYER”

Bauxita

Machacadora

Filtro

Precipitador

Horno de calcinación

Lodos Rojos

Anodo decarbono

Digestor

Criolita

Aluminio fundido

Electrolitofundido

Cuba electolítica

PROCESO ELECTROLÍTICO

Sifón Crisol

Horno de mantenimiento

Lingote de aluminio

FUNDICIÓN

Fig. 6. Proceso de obtención de aluminio primario a partir de bauxita.

La pureza del aluminio obtenido varía de un 99,5 a un 99,9% Al, siendo el hierro y el silicio las impurezas principales, aunque se alcanzan purezas del 99,99% mediante sucesivas electrólisis. 3.3.1 Propiedades del aluminio Las propiedades físicas más importantes del aluminio puro se resumen en la tabla 7.

Tabla 7: Propiedades físicas del aluminio (Aluminio purísimo Al99,99 a 20ºC) Estructura cristalina Cúbica Centrada en las Caras Densidad (gr/cm3) 2,7 Conductividad térmica (W/m.K) 244 Temperatura de fusión (ºC) 660 Temperatura de ebullición (ºC) 2467

Una de las propiedades más características del aluminio puro es su baja densidad (2,7 gr/cm3), que es aproximadamente 1/3 de la de los metales normalmente usados (Fe: 7,83 gr/cm3 y Cu: 8,69 gr/cm3); con la excepción de titanio y magnesio, razón que justifica las numerosas aplicaciones que encuentra. Presenta una alta conductividad térmica por unidad de volumen (244 W/mK), solamente superada por la plata, el cobre y el oro, sin embargo, su conductividad térmica por unidad de peso, es casi dos veces superior a la del cobre.


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Su baja temperatura de fusión(660ºC) unida a su elevada temperatura de ebullición (2467ºC) hacen al aluminio muy idóneo para los procesos de moldeo. Las propiedades eléctricas del aluminio puro se muestran en la tabla 8. Como se puede apreciar, la conductividad eléctrica del aluminio más puro (99,99% ), perfectamente recocido, a 20ºC es un 64,94% IACS (37,67 m/Ω.mm2), a igualdad de volumen. Sin embargo, si consideramos la conductividad a igualdad de peso, la del aluminio es más de dos veces superior a la del cobre recocido y mucho mayor que la de cualquier otro metal (Fig. 7). Por otra parte, no hay que olvidar que la conductividad eléctrica del aluminio comercial y de sus aleaciones es siempre inferior a ese valor.

Tabla 8: Propiedades eléctricas del aluminio (Aluminio purísimo Al99,99 a 20ºC) Conductividad eléctrica (m/Ω.mm2) 37,67 = 64,94 % IACS Resistividad eléctrica (μΩ.cm) 2,655 Coeficiente de resistividad térmica (º C-1 ) 0,00393

Como en cualquier conductor, la conductividad se debe a la circulación de los electrones en el metal. Por tanto, la conductividad eléctrica disminuirá con todo aquello que frene el movimiento de los electrones, destruyendo la continuidad del conductor a escala atómica, microscópica o macroscópica.

CONDUCTIVIDAD / UNIDAD DE VOLUMEN

CONDUCTIVIDAD / UNIDAD DE PESO

Aluminio puroAldrey T6CobreOroPlata

Aluminio puroAldrey T6CobreOroPlata

Fig. 7. Conductividad eléctrica del aluminio comparada con otros metales A continuación pasaremos a discutir la influencia que sobre la conductividad eléctrica del aluminio presentan:

a) Los elementos de aleación-impurezas. b) La acritud. c) La temperatura, y


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d) El tratamiento de precipitación de segundas fases. a) Influencia de las impurezas La conductividad eléctrica del aluminio resultará disminuida por las impurezas que contenga. En la figura 8 se muestra la influencia que la naturaleza del aleante o elemento impureza y su concentración, tienen sobre la conductividad eléctrica del aluminio.

σ

Adición en %

Zn

Cu

FeSi (recocido)

MgMn

Ti

VCr

65

64

63

0,1 0,20

e( % IACS)

Si (templado)

Figura 8. Influencia de las adiciones sobre la conductividad del aluminio de 99,99%

De los elementos impureza, los más nocivos desde el punto de vista de la conductividad son Cr, V, Ti y Mn. Como se aprecia, para concentraciones pequeñísimas de estos elementos, la conductividad eléctrica del aluminio disminuye de manera drástica. Por esta razón, para aplicaciones eléctricas (donde el contenido de estas impurezas se limite a un 0,03%), éstas se eliminan tratando el aluminio con boro que pasa a las impurezas al estado de boruros, que son facilmente eliminables por decantación en un horno de fusión. La adición por tanto de elementos de aleación que hacen disminuir la conductividad eléctrica se debe ver compensada por beneficios tales como un aumento de resistencia mecánica. Debido al severo aumento en la resistividad que acompaña a la aleación, con frecuencia es útil mejorar las propiedades mecánicas del material empleando metal puro trabajado en frío en lugar de añadir un aleante. b) Influencia de la acritud La resistividad eléctrica también aumenta con la acritud, que perturba profundamente el orden de la red cristalina. Es interesante constatar esta influencia en el caso de un hilo de aluminio deformado por estirado en frío. En la tabla. 9 se recoge el incremento en la resistividad con el porcentaje de alargamiento en el trefilado.


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Tabla 9: Deformación plástica del aluminio (Aluminio 99,5 %)

Porcentaje de alarga-miento en el trefilado

%

Acritud %

Aumento de La resistividad μΩ. cm2/cm

150 60 0,005 260 72 0,008 460 82 0,014 900 90 0,023 2150 96 0,033 3300 97 0,039 8900 99 0,045

Como se puede apreciar, el trabajo en frío aumenta la resistividad únicamente en un pequeño porcentaje debido a que hay grandes bloques de metal disponible puro sin deformar. En consecuencia, el trabajo en frío es una manera efectiva de endurecer un conductor metálico sin perjudicar seriamente sus propiedades eléctricas. c) Influencia de la temperatura La conductividad eléctrica resulta también seriamente afectada por la elevación de la temperatura que aumenta la agitación térmica de los átomos alrededor de sus posiciones de equilibrio, reduciendo la movilidad de los electrones y por tanto aumentando la resistividad. Como en la mayoría de los conductores, la resistividad eléctrica del aluminio varía linealmente con la temperatura de acuerdo con la siguiente expresión:

( )T10 Δ+= TT αρρ donde: ρT = Resistividad a TºC ρ0 = Resistividad a Tamb (2,7 μΩ.cm) αT = Coeficiente térmico de resistividad, (0,00393ºC-1) ΔT= T – Tamb

d) Influencia del tratamiento de precipitación de segundas fases Los tratamientos térmicos también afectan a la conductividad, aunque en general, se puede decir que los elementos disueltos disminuyen la conductividad eléctrica muchísimo más que los precipitados. Una aleación en estado de maduración o envejecimiento se caracteriza por presentar una alta resistencia mecánica y un valor de conductividad próximo al mayor de los valores.

En cuanto al estudio de sus propiedades mecánicas (tabla 10):

Tabla 10. Propiedades mecánicas del aluminio (Aluminio purísimo Al99,99 a 20ºC) Resistencia a tracción (MPa) 16-20 Límite elástico (MPa) 14-18 Módulo de elasticidad (Kg/mm2) 7200 Alargamiento (%) 30


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Sus características mecánicas de rigidez y resistencia mecánica son más bien bajas (14-18 MPa de límite elástico y entre 16 y 20 MPa de carga de rotura por tracción). Se trata de un material fácilmente deformable: tiene bajo módulo elástico y amplia capacidad de deformación plástica, debido a su estructura FCC. Su gran ductilidad y maleabilidad, permite forjarlo, trefilarlo en hilos delgadísimos y laminarlo en láminas o panes tan finos como los de oro (hasta espesor de 4 μm). Como se puede apreciar en la figura 9, los elementos de aleación permiten mejorar notablemente características mecánicas tales como la resistencia a la tracción y dureza por la formación de soluciones sólidas en detrimento de la ductilidad.

Aleación

PROPIEDADES

Ductilidad

Resistencia a la tracción y dureza

Fig. 9. Efecto de los elementos de aleación sobre la resistencia a la tracción y ductilidad.

El punto de corte (zona de aleaciones 6000-AlMgSi), es una zona donde se pueden conseguir valores aceptables de resistencia mecánica y ductilidad. La baja resistencia mecánica del aluminio también puede mejorarse provocando acritud, creando aleaciones susceptibles de ser endurecidas por maduración (envejecimiento), e incluso combinando maduración y acritud. En cuanto a sus propiedades químicas, hay que señalar que a pesar de su alta afinidad por el oxígeno (lo que haría suponer un mal comportamiento a la oxidación), el aluminio se oxida poco al aire y otros medios, gracias a la densa y compacta capa superficial de alúmina que lo protege y que se forma de manera espontánea. Esa resistencia a la corrosión aumenta con la pureza del aluminio. No obstante, a veces conviene mejorar la resistencia a la corrosión, sobre todo en el aluminio aleado, aumentando el espesor de la capa de alúmina de manera artificial, mediante un procedimiento conocido como “anodizado” (Fig. 10).


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Para ello, el material a proteger y que actúa de ánodo, se sumerge en un baño electrolítico (solución acuosa de H2SO4 al 15-20%), con cátodos de carbón y tensiones variables (15-50 V), depositándose sobre el material una capa de alúmina porosa, según la reacción:

2 Al0 + 3 O2- - 6e- →Al2O3 6 H+ + 6e- → 3 H2 ↑ 2 Al0 + 3 H2O →Al2O3 + 3 H2 ↑

Posteriormente, para eliminar la porosidad en la capa de alúmina formada, se introduce la pieza en agua en ebullición a fin de conseguir el sellado de los poros, obteniendose una capa compacta de espesor (∼ 20 μm) que es muy superior a la capa natural (2 ηm). Estas capas de Al2O3 pueden colorearse añadiendo al baño donde ocurre el anodizado colorantes orgánicos o inorgánicos. Del mismo modo, la incorporación de material fotosensible permite el revelado de imágenes fotográficas.

Aluminio Carbón

H SO (15-20%)2 4

Pared másdelgada Tamaño celdilla

Diámetro delporo

Capa barrera

Metal

MICROESTRUCTURA DE LAPELÍCULA ANÓDICA

Fig. 10. Proceso de anodizado

La combinación de propiedades que presenta el aluminio, tales como su baja densidad, alta resistencia a la corrosión, altas conductividades eléctrica y térmica y relativa resistencia mecánica, unido a un precio relativamente bajo convierten al aluminio en un material extremadamente útil para aplicaciones eléctricas, para piezas sometidas a fuertes gradientes térmicos, para la construcción y el envasado.

Pero sobre todo, debido a su baja densidad, aunque presente características mecánicas relativamente bajas comparadas con las del acero, su relación resistencia-peso es excelente. Es precisamente debido a esto por lo que el aluminio se emplea cuando el peso es un factor importante, como ocurre en la industria de la locomoción (automóviles, aviación, ferrocarril,


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etc.), de la construcción de maquinaria y en la construcción de líneas de transporte de corriente eléctrica. Sin embargo, cualquiera de las aplicaciones descritas exige al aluminio un mínimo de características mecánicas, las que son difíciles de alcanzar en estado puro sin alear. Por tanto, se hace necesaria la adición de elementos de aleación que permitan alcanzar un mayor rango de propiedades, al mismo tiempo que posibiliten la aplicación de un número mayor de tratamientos. 3.3.2 Aleaciones de aluminio Teniendo en cuenta que la conductividad de las aleaciones es siempre menor que la del aluminio puro, solo se escogerán éstas para formar conductores en los casos en que sea necesario disponer de propiedades mecánicas superiores. En la tabla 11 se muestran las características mecánicas y eléctricas de las aleaciones preferidas para conductores: a) Aleación 1350 (E-Al) o aluminio comercial. Es el material conductor que más se utiliza,

tiene una pureza del 99,5% y el contenido de aleantes en forma de Ti + Cr + V + Mn está limitado al 0,03%. Esta aleación ya sea en estado de recocido o trabajada en frío encuentra aplicación en forma de chapas, bandas, tubos, perfiles, barras, hilos para bobinas, alambres de líneas aéreas, etc.

b) Aleación E-AlMgSi (UNE: L-3431). Es una aleación endurecible por envejecimiento,

resistente a los agentes químicos y caracterizada sobre todo por tener una conductividad eléctrica algo menor que la del aluminio comercial (99,5%), pero una resistencia mecánica bastante mayor, gracias a la aportación de diversos elementos de aleación y a tratamientos que producen la precipitación de siliciuro de magnesio (Mg2Si).

Estos tratamientos consiguen un aumento considerable de los valores de la resistencia a la tracción y del límite elástico para pequeñas disminuciones de la conductividad eléctrica.

Estas aleaciones se conocen comercialmente con los nombres de Almelec (Francia), Aldrey (Suiza y Alemania) y otros, y aunque sus procedimientos de fabricación son distintos, todas tienen en común una composición química muy parecida y análogas propiedades mecánicas. Los alambres de esta aleación se utilizan, en la práctica, casi exclusivamente, para cables aéreos.

c) Aleaciones de fundición. Se utiliza aluminio comercial (Al99,5%), para la fundición de

rotores de motores eléctricos. Otras piezas de fundición, como son piezas de conexión, a las que se les exije buena conductividad eléctrica, se funden a partir de aleaciones Al-Si (4-6%Si). Si se exige mayor resistencia mecánica se puede añadir, como aleante, Mg (0,2-0,5%) con objeto de conseguir la posibilidad de endurecimiento por precipitación.

Aleación Composición

química, %

Estado

Carga de rotura

mínima MPa

Límite elástico (0,2%) MPA

Alarga- miento

(mínimo) %

Resistividad máxima

μΩ. cm2/cm

Campos de aplicación


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Aleaciones para forja 1350 (E-Al) (Al ≥ 99,5; Ti+ Cr+V+Mn ≤ 0,03)

Recocido (O) ¾ duro (H16) Duro (H18)

68 117 146

39 -- --

20

3,25 0,5

2,76 2,82 2,82

Chapas, tubos, perfiles, hilos para bobinas, barras, pletinas. Alambres en cables aislados Alambres de líneas aéreas

E-AlMgSi (Aldrey) L-3431 (0,5-0,6% Si; 0,35-0,6% Mg) (Ti+ Cr+V+ Mn ≤ 0,03)

Tratamiento (T6) Trat. especial (*)

216

315

167

280

10 6

3,1

3,15

Barras, alambres, tubos, perfiles Alambres de líneas aéreas

Aleaciones de fundición Al ≥ 99,5 (Ti+Cr +V+ Mn ≤ 0,03)

Moldeo a presión

80

30

35

3,0

Rotores de motores eléctricos .

G-AlSi 5 (4-6% Si)

Moldeo en arena sin TT

127 59 2 4,5 Piezas de conexión.

GK-AlSi7Mg

Moldeo en coquilla, temple y maduración artificial

196

157

3

3,7

Piezas de conexión

Tabla 11. Tipos y características de materiales para conductores

3.3.3 Cables de aluminio El aluminio y las aleaciones de aluminio se utilizan para cables conductores de alta intensidad, cables de telecomunicación y sobre todo en cables para conducciones aéreas. El empleo de aluminio en forma de cables desnudos para conducciones aéreas constituye el más importante de todos los usos que encuentra este metal en la industria eléctrica. Las ventajas desde el punto de vista técnico-económico de estas conducciones son tan convincentes que en la actualidad, para tensiones elevadas, apenas se considera ningún otro material conductor cuando se construyen conducciones de esta clase. Si tenemos en cuenta que nunca se deben emplear conductores desnudos de aluminio puro en forma de un solo alambre, como se hace algunas veces con el cobre, sino siempre en forma de cable a fin de conseguir una mayor resistencia de la línea a los roces y vibraciones, los conductores de aluminio empleados en la actualidad se presentan principalmente bajo cuatro formas: Cables homogéneos de aluminio puro Son hilos de la aleación 1350 (E-Al) trefilados en frío. Su carga de rotura varía entre 145 y 180 MPa. A pesar de su excelente conductividad eléctrica, los cables homogéneos de aluminio no se emplean en conducciones de alta tensión, ya que su baja carga de rotura no permite su utilización económica en las líneas de grandes distancias. Estos cables homogéneos se utilizan en conducciones de baja tensión, especialmente redes locales de distribución y vanos de tendido medios.


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Cables homogéneos de aleación de aluminio (Aldrey, Almelec) Son hilos de la aleación E-AlMgSi con una resistencia a la tracción entre 310 y 330 MPa. Se aplican para conducciones aéreas con solicitación media y alta. Cables mixtos de aluminio-acero Los cables aluminio-acero llevan un alma constituida por uno o varios hilos de acero galvanizado, sobre la cual se enrollan los hilos de aluminio en una o varias capas. Se consideran como conductores solamente los hilos de aluminio, siendo el acero el responsable de aportar resistencia mecánica al cable. Se aplican en todas las conducciones aéreas con alta solicitación. Cables mixtos de Aldrey-acero Combinado con el acero, el Aldrey permite también preparar conductores de gran resistencia mecánica, especialmente ventajosos en casos, en que, a causa de grandes formaciones de hielo, el conductor pueda quedar cargado hasta su límite de elasticidad. Tienen la misma estructura que los cables de aluminio-acero y se utilizan para solicitaciones mecánicas extremas (cruzar ríos y valles). En la figura 11 se muestran algunas de las formas en que se pueden presentar los cables mixtos de Al-acero.

Fig. 11. Diversas formas de cables de aluminio

a) El alma de acero es de un solo hilo. b) El alma está constituida por un cable con varios hilos de acero. c) Cable antivibratorio. Para luchar contra las vibraciones producidas por el viento se han

aprovechado las diferencias entre las propiedades físicas del aluminio y del acero, construyéndose cables en que el núcleo de acero está en libertad, por dentro de la capa envolvente de aluminio. Por no ser iguales las frecuencias de vibración propias de ambos metales, no pueden entrar en resonancia al mismo tiempo.

d) e) y f) son tres soluciones de cables huecos: d) Además del núcleo de acero tiene un relleno de amianto (zona sombreada). e) El núcleo de acero es tubular.


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f) El núcleo de acero y las dos capas de hilos de aluminio están separadas por una espiral de cinta de aluminio. Estos cables huecos se emplean en las líneas de muy alta tensión para, aumentando su diámetro, evitar el efecto corona11

Gracias a la ligereza y a la alta resistencia mecánica de estos conductores mixtos, la posibilidad de alcanzar grandes distancias en líneas aéreas de alta tensión es muy superior a la de otros materiales, razón que ha permitido la sustitución del cobre en estas líneas. Así, la distancia máxima admisible para una tensión máxima T (kg/mm2) y para un coeficiente de sobrecarga m (relación entre el peso del cable con la sobrecarga y su peso original) se halla según la expresión:

aT

mmetrosmax = 1 327, ( )

π

siendo π el peso específico del cable en kilogramos por metro cuadrado de sección y metro de longitud. Esta expresión da, para grandes cables mixtos de aldrey/aluminio-acero, en condiciones normales de sobrecarga, distancias superiores a los 2000 metros, mientras que esta distancia se ve reducida a la mitad cuando se utilizan cables de cobre eléctricamente equivalentes. Para cables especiales de aluminio-acero se han alcanzado distancias superiores a los 3000 metros.

3.3.4 Aplicaciones del aluminio y sus aleaciones Además de los conductores y sus accesorios, el aluminio y sus aleaciones encuentran también múltiples aplicaciones en electrotecnia hasta un consumo anual superior a las 10.000 Tm/año, lo que representa aproximadamente un 13% del total. Como material de construcción, se utiliza en instalaciones de distribución, postes de líneas aéreas, carcasas para motores e interruptores, etc. También es ampliamente utilizado en la construcción de motores eléctricos, máquinas de corriente continua, turbogeneradores de gran tamaño, transformadores de potencia y condensadores. Asimismo, es utilizado en los recubrimientos de los tubos de rayos catódicos, lámparas fluorescentes e incandescentes, chasis de equipos electrónicos (Carcasas y refrigeradores en diodos, tiristores y transistores), uniones internas de circuitos integrados, tornillería, cabezales, bastidores de interruptores de gran intensidad y antenas de radar y televisión.

11 El efecto corona es un tipo de conducción eléctrica que aparece en los gases, por lo general a presiones próximas a la atmosférica. Produce una descarga que se manifiesta por una emisión luminosa y un ruido silbante. En una línea de alta tensión representa una pérdida de potencia y limita la tensión de funcionamiento.


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3.4 Materiales para resistencias El uso de una resistencia en un circuito puede ser como una impedancia o como elemento calefactor. Si actúa como impedancia:

• El valor de su resistencia y, por tanto, de su resistividad, debe ser muy preciso. Esto exige procesos de fabricación más delicados para conseguir mayor pureza en el metal o en la composición de las aleaciones, al tiempo que procesos de conformado que proporcionen precisión dimensional.

• El coeficiente de temperatura debe ser pequeño para el supuesto que se presenten calentamientos en servicio.

Cuando se utiliza como elemento calefactor interesan más otras propiedades:

• Ha de atenderse a factores térmicos, económicos y corrosivos. • El coeficiente de temperatura debe ser también pequeño y constante en el intervalo de

temperaturas en que se utilice. • Deben ser resistentes al calor y a los agentes exteriores corrosivos, consistentes, sobre

todo, en gases que se desprenden de las sustancias que se calientan. • Deben poseer altos valores de resistividad, pues así pueden utilizarse valores de

intensidad más bajos y menores dimensiones del elemento resistente. • Deben ser muy resistentes a las temperaturas elevadas.

3.4.1 Resistencias metálicas En la tabla 12 se recogen algunas de las aleaciones más usuales utilizadas para la construcción de resistencias eléctricas. Como puede observarse, son aleaciones binarias cobre-níquel (cuproníqueles), níquel-cromo y ternarias como Ni-Cr-Fe y Fe-Cr-Al. Todas estas aleaciones son utilizables (en función de su temperatura de fusión) para temperaturas máximas que oscilan entre 500 y 1000ºC, ya que si se superan estos valores se presentan problemas importantes de oxidación.

Nombre Composición Resistividad μΩ.m

Densidadgr/cm3

Tª de fusiónºC

Coeficiente de Tª

Niquelina Constantan Manganina

Cromel

55Cu-45Ni 80Ni-20Cr

60Ni-16Cr-Fe 73Fe-22Cr-5Al

0,5 1,08 1,12 1,39

8,9 8,41 8,20 7,15

1.250 1.400 1.350 1.500

0,1 1,3 1,3 1,5

Tabla 12. Algunas aleaciones para resistencias

El cobre y el níquel se disuelven entre sí en todas las proporciones para formar disoluciones sólidas (constan de una sola fase α). Debido a que los cuproníqueles son monofásicos, presentan una elevada resistencia a la corrosión electrolítica. Aunque estas aleaciones no son susceptibles de tratamiento térmico, son muy dúctiles y sus propiedades pueden alterarse por deformación en


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frío. La aleación con un 45% de níquel (niquelina) presenta la particularidad de mantener prácticamente constante la resistividad eléctrica al variar la temperatura, por lo que se usa para la fabricación de patrones de resistencia. El Constantan tiene una gran resistencia a la oxidación en caliente y muy buenas características mecánicas a altas temperaturas. Permite grandes variaciones de temperatura y de atmósfera, tanto oxidante como reductora, hasta temperaturas de 1.150ºC. Sin embargo, no debe exponerse directamente a atmósferas fuertemente cementantes o que contengan azufre, plomo o zinc. La Magnanina se recomienda para aplicaciones en las que la temperatura de la resistencia no sobrepase los 900ºC, en atmósferas cementantes o reductoras. Sin embargo, es sensible a las atmósferas que contengan azufre, plomo o zinc, aunque soporta aceptablemente las atmósferas cementantes. Se utiliza ampliamente en aparatos electrodomésticos y para terminales de resistencias de Constantan. Las resistencias de Cromel presentan algunas ventajas en relación con las resistencias de Constantan, tales como: valor de densidad netamente inferior, mayor temperatura de fusión, más alta temperatura de utilización, y resistividad eléctrica más elevada. Sin embargo, presenta peores propiedades mecánicas en caliente. 3.4.2 Resistencias no metálicas Estas resistencias se construyen a partir de grafito o carburo de silicio (CSi) y aditivos cerámicos. Se utilizan cuando se necesitan grandes valores de resistencia y no inductivos. Las resistencias de carburo de silicio se presentan en forma de varillas o tubos, variando su resistencia eléctrica específica (en función de los aditivos) entre 3.103 y 3.1010 Ωmm2/m. Se usan como resistencias de calefacción en hornos con temperaturas entre 1000ºC y 1450ºC. Se presentan en varillas de 4 a 50 mm de diámetro y 60 a 1500 mm de longitud y alcanzan de 1.000 a 3.000 horas de trabajo. Estas resistencias tienen la particularidad de disminuir su valor, sin inercia, al aumentar la tensión aplicada. La cuantía del descenso depende de la masa y de la forma de la resistencia. Por esto son utilizadas en la técnica de alta frecuencia, en sistemas de protección contra sobretenciones y resistencias dependientes del voltaje (VDR- Voltage Depend Resistors).


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CUESTIONES

TEMA 3

MATERIALES PARA CONDUCTORES 1. Materiales para conductores. Generalidades, características y materiales utilizados. 2. El cobre. Generalidades. Obtención. 3. Explicar la fragilidad que presenta el cobre comercial ordinario electrolítico (ETP) para

T> 400ºC en atmósfera con hidrógeno, y la forma de evitarlo. 4. Comentar brevemente las propiedades más destacables del cobre recocido a 20ºC. 5. ¿Qué factores afectan a la σe del cobre?. 6. ¿Qué influencia tienen sobre la σe del cobre impurezas tales como P, Si y Ag?. 7. Proponer un método para conocer la resistividad del cobre impuro, conocida la resistividad

del cobre puro y el contenido porcentual de impurezas. 8. ¿Cuál es la razón por la cual se utilizan aleaciones de cobre o cobre deformado en frío en

lugar de cobre recocido para el transporte de corriente eléctrica?. 9. ¿Cuál es la finalidad de la adición de Cd y/o Sn al cobre?. 10. Comentar la influencia del Zr en las propiedades de las aleaciones Cu-Zr endurecidas por

envejecimiento. 11. Conocido el coeficiente de temperatura del Cu, ¿cuál será el incremento de resistividad de

este material al aumentar la temperatura desde 20 hasta 70ºC?. 12. Factores que disminuyen la σe del aluminio. Enumerarlos y explicar por qué 13. ¿En qué consiste el anodizado y cómo se realiza en la práctica?. 14. El aluminio. Generalidades. Obtención. 15. Comentar brevemente las propiedades físicas más destacables del Al a 20ºC. 16. A partir de los datos recogidos en las tablas de propiedades físicas del cobre y aluminio puros,

comparar las conductividades eléctricas de estos materiales a igualdad de peso y a igualdad de volumen.

17. ¿Qué influencia tienen sobre la conductividad eléctrica del Al puro, impurezas tales como Cr, V, Ti y Mn?.

18. Proponer un método efectivo para endurecer un conductor de aluminio sin perjudicar seriamente sus propiedades eléctricas?

19. Aleación Aldrey. Características y aplicaciones. 20. ¿Qué se persigue con la adición de magnesio a las aleaciones de fundición Al-Si?. 21. Cables mixtos de aluminio-acero. Estructura, formas y aplicaciones. 22. Justificar la sustitución del cobre por el aluminio en la fabricación de conductores para líneas

aéreas de alta tensión.

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