El Cobre y sus Aleaciones Universidad de Cantabria
Iván de Prado Vallejo Javier Saldaña Blanco
EL COBRE Y SUS ALEACIONES
3º Grado Ingeniería Mecánica Iván de Prado Vallejo Javier Saldaña Blanco
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1. INTRODUCION………………………………………………………………………… 3
Definición de cobre
Reseña histórica.
Evolución.
2. CARACTERISTICAS……………………………………………………… ..………… 5
Características físicas.
Características mecánicas.
Características químicas.
Características eléctricas.
Características biológicas.
3. OBTENCIÓN Y PROCESADO DEL COBRE………..…………………… 8
Obtención del cobre.
Procesado del cobre.
Esquema.
4. ALEACIONES DEL COBRE……………………………………………………… 11
Cobre puro.
Cobres débilmente aleados.
Cobres altamente aleados.
Latones.
Latones binarios Cobre-Zinc.
Latones con Plomo
Latones especiales.
Bronces comunes.
Bronces especiales.
Alpacas. Otras aplicaciones del cobre.
5. CONCLUSIONES…………………………………………………………………… . 17 6. BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………. 18 2
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El cobre (del latín cuprum, y éste del griego kypros), cuyo símbolo es Cu. Se trata de un metal de transición de color rojizo y brillo metálico. El cobre se caracteriza por ser uno de los mejores conductores de electricidad (el segundo después de la plata). Gracias a su alta conductividad eléctrica, ductilidad y maleabilidad, se ha convertido en el tercer metal, después del hierro y del aluminio, más consumido en el mundo. El cobre es conocido y utilizado por la industria humana desde la antigüedad. Más o menos aleado, fue utilizado en gran escala por los antiguos romanos y todas las civilizaciones han utilizado el cobre o sus aleaciones a lo largo de su evolución. U na de las razones evidentes de este empleo es la existencia de cobre nativo en estado casi puro; la facilidad de extracción del metal ha contribuido asimismo, de una manera importante, a su desarrollo metalúrgico. Añadiremos que el cobre recibe su nombre de la isla de Chipre, donde en la antigüedad este metal era muy abundante. Por sus propiedades, el cobre se aproxima a los metales preciosos especialmente por su excelente resistencia a los agentes co rrosivos naturales. Las aleaciones de cobre se han desarrollado al mismo tiempo que el metal; sería casi posible preparar una relación de las aleaciones de cobre que se han utilizado en los diferentes periodos de las antiguas civilizaciones, cuyas composiciones a veces bastante variables, permitían orientarlas hacia aplicaciones bastante precisas. Desde el descubrimiento de la corriente eléctrica y el desarrollo industrial resultante del mismo, el cobre encuentra su verdadera y primordial aplicación: La de conductor. Indirectamente, sus propiedades conductoras de calor le abren otro importante campo de utilización: el de los materiales cambiadores de calor. Hacia el año 1925, el cobre estaba estancado en sus composiciones y aplicaciones tradicionales, pero la competencia del aluminio y la renovación suscitada en los estudios metalúrgicos por el desarrollo de este metal han modificado esta posición. Numerosos estudios científicos e industriales han llevado a crear numerosos tipos de aleaciones de cobre, con aplicaciones cada vez más amplias o altamente especializadas. Asimismo, mediante el empleo de composiciones especiales dentro de l as aleaciones de cobre, se ha conseguido el mejor y más conocido compromiso entre la conductibilidad térmica y la resistencia a la corrosión. En el siguiente gráfico se muestra la producción primaria, su consumo y precio al producirlo entre el año 1900 hasta el 2008, usando como fuente los datos del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS):
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Características físicas:
El cobre es de color rojizo y de brillo metálico. Es el elemento con mayor conductividad eléctrica y térmica después de la plata. Posee una estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC) y su radio atómico vale 1.28 Å. Tiene una masa atómica de 63.54 g/mol y una densidad de 8.96 g/cmᶟ. Su punto de fusión corresponde a una temperatura de 1083ºC y su punto de ebullición se corresponde a una temperatura de 2595ºC. Es un material abundante en la naturaleza y es por ello por lo que tiene un precio accesible (ronda aproximadamente los 5€/kilogramo) y se recicla de forma indefinida. El cobre forma aleaciones para mejorar las prestaciones mecánicas y es resistente a la corrosión y oxidación, lo que provoca que su uso en canalones o tuberías sea bastante usual.
Características mecánicas:
Tanto el cobre como sus aleaciones tienen una buena maquinabilidad, es decir, son fáciles de mecanizar. El cobre posee muy buena ductilidad y maleabilidad lo que permite producir láminas e hilos muy delgados y finos. Es un metal blando, con un índice de dureza 3 en la escala de Mohs (50 en la escala de Vickers). Su resistencia a la tracción es de 210 MPa y tiene un límite elástico de 33,3 MPa. Admite procesos de fabricación de deformación como laminación o forja, y procesos de soldadura. Además, sus aleaciones adquieren propiedades diferentes con tratamientos térmicos como temple y recocido. 5
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En general, sus propiedades mejoran con bajas temperaturas lo que permite utilizarlo en aplicaciones criogénicas (la criogenia es el conjunto de técnicas utilizadas para enfriar un material a la temperatura de ebullición del nitrógeno o a temperaturas aún más bajas).
Características químicas:
El cobre posee valencias 1 y 2.
Es un elemento químico cuyo número atómico es el 29 y está situado en la tabla periódica en la zona de los metales de transición.
Características eléctricas: El cobre es un excelente conductor tanto eléctrico como térmico. La conductividad del cobre recocido medida a 20 °C es igual a 58,1086 S/m. A este valor de conductividad se le asigna un índice 100% IACS y la conductividad del resto de los materiales se expresa en porcentaje de IACS. La mayoría de los metales tienen valores de conductividad inferiores a 100% IACS pero existen excepciones como la plata o los cobres, que son metales de muy alta conductividad y están designados C-103 y C-110. El cobre no es magnético.
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Características biológicas: En las plantas, el cobre posee un importante papel en el proceso de la fotosíntesis. El cobre contribuye a la formación de glóbulos rojos y al mantenimiento de los vasos sanguíneos, nervios, sistema inmunitario y huesos y por tanto es esencial para la vida humana. El cobre se encuentra en una gran cantidad de alimentos habituales de la dieta tales como legumbres y nueces entre otros, además del agua potable.
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Obtención del cobre: El cobre se puede encontrar o bien en yacimientos o canteras al aire libre o en minas subterráneas. La forma de obtenerlo dependerá lógicamente del lugar donde se asiente. Si se encuentra en canteras al aire libre, se extraerá por medio de maquinaria pesada específica para este tipo de trabajos. Si por el contrario se encuentra en minas subterráneas se usará una máquina de menos tamaño, debido a las limitaciones que este tipo de minas supone. Además, se apoyará la labor de dichas máquinas con explosiones controladas en la zona en la que se desea profundizar.
Procesado del cobre: Una vez extraído el cobre, se siguen los siguientes pasos para su procesado: Se traslada a la trituradora con el fin de reducir el tamaño de las rocas extraídas. Esta trituradora funciona por medio de energía eléctrica y tiene forma de embudo, de manera que todas las piedras pequeñas convergen en un único punto. Esas piedras pequeñas obtenidas son llevadas por medio de un sistema de cintas transportadoras hasta un molino (etapa de molienda), donde las rocas son centrifugadas a altas velocidades. Esto hace que el tamaño de sus partículas se reduzca a aproximadamente unos 0.2 milímetros. En este mismo proceso se le añade agua, con el fin de que la mezcla contenga todos los reactivos necesarios para el proceso posterior de la flotación. La “pulpa” proveniente de la molienda, que ya contiene los reactivos
necesarios para la flotación, se introduce en unos recipientes que se asemejan a una piscina, denominadas células de flotación. Desde el fondo de las células se hace burbujear aire hacia la parte superior de las mismas, mientras se mantiene la mezcla en constante movimiento rotacional, con el fin de que el proceso sea más efectivo. Las burbujas arrastran consigo los minerales sulfurados hasta la superficie, donde rebajan por el borde de la “piscina”, hasta llegar a unas
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tuberías que lo conducirán hasta la siguiente etapa, que es la disolución de los concentrados para eliminar la cantidad de agua que sobra. Esos concentrados son llevados hasta un filtro, que reduce su humedad de un 50% a un 16%. El resultado es una mezcla semi-sólida que se envía a una planta de secado, donde se disminuye aún más su humedad (a un 8%) dentro de un horno secador. Posteriormente, esto se envía a una refinación a fuego, donde se obtiene el cobre Blíster , con una dureza del 99.35%. Esto se moldea en barras anódicas de cobre, que pasa a ser un electrodo en el electrorefinación. Como se encuentra en solución ácida, el cobre se oxida y se deposita en el cátodo, hasta que el ánodo se disuelve completamente, obteniéndose así el cátodo de cobre, con un 99.9% de pureza. Los restos que quedan en el ánodo, son enviados a otras etapas para obtenerlos de manera pura, que pueden ser plata, oro u otros metales nobles.
Con el fin de ilustrar todo este proceso, queda recogido en la página siguiente un esquema con todas las partes del proceso, desde la extracción del metal en las minas hasta el producto final.
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EXTRACCIÓN DEL COBRE Mediante
Por explosiones
maquinaria pesada
controladas
A cielo
Subterránea
abierto
Trituradora Transporte por cintas Molienda de las piedras Se añade agua
Celdas de flotación Burbujeo de aire
Los minerales sulfurados rebasan Decantación de los concentrados para reducir la cantidad de agua
Refinación a
Planta de
fuego
secado
Moldeo en barras
Filtro
CÁTODOS DE COBRE (99.9% de pureza)
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Se considera COBRE PURO al que tiene más del 99% de cobre en su composición y las principales formas en que se presenta son: Cobre térmico tenaz (FRTP) 99.85% Cu. Cobre térmico de alta conductividad (FRHC) Cobre electrolítico tenaz (ETP) 99.85% Cu. Cobre exento de oxígeno (OF) 99.95% Cu. Cobre desoxidado con fósforo con bajo contenido de fósforo residual (DLP) 99.99% Cu + 0,005-0,012% P Cobre desoxidado con fósforo con alto contenido de fósforo residual (DHP)
99.85% Cu + 0,013-0,15% P
Sin embargo, el cobre puro no puede servir para todos los usos, sobre todo para los que requieren gran resistencia mecánica, buena maquinabilidad, gran resistencia a las temperaturas elevadas, resistencia al desgaste, etc. En estos casos se debe recurrir a las aleaciones, es decir, a combinaciones del cobre con otros metales como zinc, aluminio, estaño, níquel, hierro, etc.
Elemento
Efecto
Aumenta la resistencia mecánica.
Aumenta la resistencia mecánica.
Aumenta la resistencia a la corrosión.
Aumenta la resistencia al desgaste.
Aumenta la dureza.
Disminuye la ductilidad.
Aumenta la resistencia a tracción.
Aumenta la dureza.
Inhibe el crecimiento de grano.
Aumenta la cantidad de Fe que se puede disolver.
Disminuye la ductilidad.
Cromo
Aumenta las propiedades mecánicas.
Telurio
Aumenta las propiedades mecánicas.
Berilio
Aumenta la dureza.
Aumenta la resistencia a tracción.
Aumenta el límite de fatiga.
Disminuye la conductividad.
Hierro
Aluminio
Manganeso
Fósforo
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Tabla 1: Elementos aleados con el cobre y sus efectos.
Los grupos principales de aleaciones de cobre son los siguientes:
Cobres débilmente aleados: Los cobres débilmente aleados son aquellos que poseen bajo contenido de elementos de adición (menos del 1%) y se utilizan cuando se requiere mejor: Resistencia mecánica a temperaturas relativamente elevadas. Resistencia a la corrosión. Soldabilidad. Resistencia al reblandecimiento. Maquinabilidad. Las composiciones de cobres débilmente aleados son: Cobre desoxidado con fósforo, con arsénico (Cu-As): son aleaciones con una
muy baja ductilidad pero que presentan una muy buena resistencia mecánica y resistencia a la corrosión (tanto atmosférica como marina). Algunas aplicaciones: Aparatos y tuberías para Iíquidos y gases relativamente corrosivos. o Tubos y placas tubulares para condensadores que trabajen con agua o dulce y pura. Cobre tenaz con plata (Cu-Ag): presentan una muy buena combinación de
ductilidad y resistencia mecánica Construcción de elementos de máquinas eléctricas rotativas. o Placas para fotograbado que hayan de tener larga vida. o Cobre exento de oxígeno con plata : contiene un 99.95 % de cobre, de alta
conductividad. Es bastante caro y su aplicación es poco común. En Electrónica, para uniones vidrio-metal. o Cobre con azufre (Cu-S): son aleaciones fáciles de mecanizar. o o
Piezas conductoras de corriente obtenidas por torneado. Remaches, tuercas, tornillos.
Cobre con telurio (Cu-Te): son aleaciones fáciles de mecanizar. o o
Terminales de transformadores y de disyuntores. Contactos y conexiones diversas.
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Cobres altamente aleados: Estas aleaciones se utilizan cuando no es indispensable una conductividad eléctrica muy elevada pero se requiere de un material con otras propiedades como las siguientes: Resistencia a la tracción. Dureza. Resistencia a la corrosión. Resistencia a la oxidación. Ejemplos de algunas aplicaciones de las aleaciones con alto contenido de cobre:
Cobre-Cadmio y Cobre-Cadmio-Estaño: o o
Líneas telefónicas. Conductores de líneas de ferrocarriles eléctricos.
Cobre-Cromo: o o o
Electrodos de soldadura por resistencia. Contadores de potencia. Equipos siderúrgicos.
Cobre-Bronce-Alpaca:
Monedas.
o
Cobre-Berilio y Cobre-Berilio-Cobalto: o
o
Cobre-Níquel-Silicio: o o
Herramientas de cupro-berilio para trabajos en presencia de materiales explosivos. Matrices para plásticos.
Piezas para tracción eléctrica. Piezas varias de contactos eléctricos.
Cobre-Silicio- Manganeso: o o
Diversas cajas y accesorios para la industria eléctrica. Artículos que deben permanecer en contacto eléctricos con agua de mar, aguas ácidas o atmósferas corrosivas.
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Latones: Los latones son la aleación de cobre más común. Comprenden una amplia zona de aleaciones que va desde un 45 al 95% de cobre y el resto de cinc, con o sin la adición de cantidades relativamente pequeñas de otros elementos (estaño, plomo, manganeso, níquel, aluminio y silicio). Su buena resistencia a la corrosión y su aptitud para tratamientos superficiales, permiten realizar económicamente objetos de aspecto atractivo, de larga duración y de fácil mantenimiento. Dentro de este grupo de aleaciones, se distinguen: Los latones binarios o latones propiamente dichos. Los latones con plomo. Los latones especiales.
Latones binarios Cobre-Zinc: Los Latones Binarios tienen características muy específicas y sus aplicaciones están relacionadas con el porcentaje de zinc que contenga la aleación. Bisutería de fantasía. Discos para monedas e insignias. Quincallería. Fundas de balas. Aplicaciones industriales. Instrumentos musicales. Telas metálicas. Radiadores de automóviles. Accesorios de fontanería sanitaria. Arquitectura.
Latones con plomo: Los latones presentan grandes ventajas sobre todo para la fabricación de piezas de mecánica. Por lo que se busca mejorar la maquinabilidad agregando reducidos porcentajes de plomo (1 a 3%). Aplicaciones de los latones con plomo: Piezas roscadas para electrotecnia y piezas para circuitos. Engranajes, relojería. Conexiones machos y hembras. Instrumentos de precisión. Relojería. Válvulas para bicicletas. Tornos automáticos de gran velocidad. Accesorios para carpintería. Piezas para automóviles. Elementos mecánicos diversos. Accesorios decorativos. Marcos de puertas, ventanas y vitrinas. 14
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Latones especiales: Los latones especiales se obtienen añadiendo uno o más elementos a los latones simples con el fin de mejorar las características de estos. Los elementos utilizados industrialmente, además del plomo, son el estaño, aluminio, manganeso, hierro, níquel, silicio y, en pequeñas proporciones, arsénico. Estos elementos se agregan para mejorar las propiedades mecánicas y aumentar la resistencia a ciertas formas de corrosión. Entre los latones especiales existe una gran variedad, pero los más importantes son los siguientes: Latón con Aluminio. Latón Almirantazgo. Latón Naval. Latones de Alta Resistencia. Por sus características, los latones especiales son utilizados en la fabricación de: Hélice naval. Tubos de Condensadores. Tubos de Evaporadores y de Cambiadores de calor. Quincallería naval. Engranajes. Tuberías para aire comprimido e hidráulica. Perfiles arquitectónicos.
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Bronces comunes: Los auténticos bronces son aleaciones de cobre y de estaño, con contenidos que varían del 2 al 20% de estaño (Sn). Los bronces contienen frecuentemente otros elementos, tales como fósforo, zinc, níquel, plomo. Por siglos el hombre sólo conoció el cobre y el oro, los que empleaba en su estado nativo dándoles únicamente forma. Esto fue hasta que se aprendió a fundir los metales, a hacer aleaciones y a darles forma. Con la aparición del bronce la metalurgia adquiere gran importancia: modificó las relaciones entre los pueblos y se fomentó el comercio. Se pueden distinguir dos familias de aleaciones de bronces:
Bronces Binarios (Cobre con Estaño): o o
Bronces Forjados. Bronces Moldeados.
Bronces Complejos (formado por un tercer elemento): (Ampliado más abajo)
Las principales aplicaciones de los Bronces son: Alambres para telas mecánicas. Tubos flexibles y tubos ondulados. Cadenas. Campanas. Aplicaciones navales.
Mientras que las sus propiedades características son:
Resistencia a la corrosión. Buena maleabilidad. Propiedades mecánicas y eléctricas.
Con frecuencia, se añaden terceros elementos de aleación que den lugar a las siguientes familias de bronces: Bronces fosforosos: Se emplean en aquellas aplicaciones donde sea necesario
un bajo coeficiente de fricción. Bronces al cinc: El cinc se añade al bronce para abaratarlo y mejorar su fluidez.
Los bronces con un bajo contenido de estaño (~3% Sn, ~2.5% Zn), se utilizan para monedas, y los de alto contenido en estaño (10% Sn, 2% Zn) se utilizan en aquellos casos en que se requiere una alta resistencia a la corrosión. Bronces al plomo: Se añade hasta un 2% de Pb Bronces al cinc y plomo: El plomo no suele exceder de un 4% en las
aleaciones para forja y de un 10% en las de moldeo. Bronces al níquel: Se añade hasta un 1.5% y contribuyen a prevenir la
segregación del plomo en los bronces moldeados.
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Bronces especiales :
Cuproaluminios: Son aleaciones ricas en cobre con un contenido en aluminio
que varía entre un 5% y un 11% pudiendo contener también hierro, níquel y manganeso. Se caracterizan porque tienen: Excelente resistencia a la corrosión. o Resistencia a la oxidación en caliente, buena resistencia mecánica en o caliente y muy buena a temperatura ambiente y a baja temperatura. Buenas características de fricción. o Amagnético. o Ausencia de chispas en el choque. o Soldabilidad excelente, incluso sobre acero. o Aspecto atractivo. o
Cuprosilicios: Las aleaciones de interés industrial pueden contener hasta un
4% de Si, y destacan por: Buena maleabilidad. o Trabajables en caliente. o Buena colabilidad. o Gran soldabilidad. o Cuproníqueles: Son aleaciones Cu-Ni de cuyas propiedades puede destacarse: o o o o o o
Facilidad de conformación en frío y en caliente. Facilidad de moldeo. Buenas características mecánicas, incluso a bajas y altas temperaturas. Propiedades eléctricas. Color plateado y aspecto atractivo. Buena resistencia a la corrosión.
Entre sus aplicaciones tenemos: o o o o o
Conducción de agua de mar. Protección de maderas. Aparatos de medida. Aparatos de calefacción. Enfundado de cables sumergidos o expuestos a atmósferas corrosivas.
Cuproberilios: Tienen un contenido en berilio entre un 1,75% y un 2,25%, lo
que le confiere las siguientes características: Características mecánicas muy elevadas si se realiza un tratamiento o térmico de solubilización y maduración. Amagnético. o Su conductividad es un 20% pudiendo llegar hasta el 40%. o
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Alpacas: Las alpacas son aleaciones de cobre, níquel y zinc, en diversas proporciones. Sus aplicaciones son muy diversas y están basadas, esencialmente, en sus propiedades físicas, químicas y mecánicas. Sus principales usos son: Piezas para equipos de telecomunicaciones Orfebrería Arquitectura, decoración. Cubiertos, picaportes, barandillas, lámparas, etc.
Debido a que las alpacas presentan una maquinabilidad relativamente baja, se puede mejorar esta propiedad agregando plomo. Las alpacas con plomo pueden ser moldeadas. Sin embargo, se encuentran más frecuentemente, en forma de productos forjados, tales como chapas o barras que se prestan bien al maquinado.
Otras aplicaciones del cobre: Finalmente, es necesario mencionar que existe un grupo de aleaciones en el que se incluyen algunas de escasa importancia técnica y otras de gran interés, pero que contienen menos del 50% de cobre y que por esta razón no son consideradas como aleaciones de cobre propiamente dicho.
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El cobre es el tercer metal más usado después de la plata y el hierro. Es esencial en la industria y sobre todo en la mecánica, dada su excelente resistencia a la corrosión, su alta resistencia, su maleabilidad y su gran conductividad, tanto térmica como eléctrica. El cobre está presente en numerosas aplicaciones que abarcan desde los alimentos o los glóbulos rojos hasta en el cableado eléctrico o las monedas que usamos diariamente. En el 2008, la EPA (Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos) aprobó 275 aleaciones para su uso en sectores como: el automotriz, medio ambiente, textil y arquitectura entre otros.
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