Resumen Introducción Generalidades del cobre Metalurgia del Cobre

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2 Resumen Introducción Generalidades del cobre Metalurgia del Cobre
Proceso Pirometalúrgico Proceso Hidrometalúrgico Clasificación del Cobre y Aleaciones de Cobre Cobre no aleado Latones Bronces Cuproníqueles Cuproaluminios Mención de aleaciones con Efecto de Memoria de Forma

3 Evolución de la Ingeniería en Materiales
Edad de Piedra: a.C Edad de Cobre: 4000 – 3000 a.C Edad de Bronce: 3000 – 1500 a.C Edad de Hierro: 1500 a.C

4 Ankh (símbolo egipcio de la vida eterna)
Nota Histórica El cobre fue uno de los primeros metales utilizados por la cultura humana (junto con el oro). Se piensa que este metal fue descubierto alrededor del año 6000 a.C. En aquel tiempo, el cobre se encontraba en estado metálico (cobre nativo). Los pueblos antiguos confeccionaban utensilios y armas, martilleando este metal (forjado en frío). El cobre forjado era más duro (endurecimiento por deformación) y su atractivo color rojizo lo hicieron muy apreciado por las civilizaciones antiguas. Cerca del 4000 a.C. se descubrió que el cobre podía ser fundido y colado en una variedad de formas útiles. Posteriormente se descubrió que el cobre aleado con estaño podría ser fundido más fácilmente que el metal puro. Esto condujo al uso generalizado del bronce, que dio nombre a la Edad del Bronce. Para los antiguos romanos, la isla de Chipre era casi la única fuente de este metal, por lo cual le llamaron “aes cyprium” (metal de Chipre). Luego fue abreviado a “cyprium” y posteriormente a “cuprium”. De aquí deriva el símbolo químico del cobre Cu. El símbolo del cobre se representó con el mismo signo que Venus (la Afrodita griega) pues Chipre estaba consagrada a la diosa de la belleza y los espejos se fabricaban de este metal. El símbolo, espejo de Venus, modificación del Ankh egipcio, fue posteriormente adoptado para simbolizar el género femenino (♀). Ankh (símbolo egipcio de la vida eterna) Espejo de Venus

5 Generalidades del Cobre
El cobre es el tercer metal más utilizado en el mundo, por detrás del hierro y el aluminio. Propiedades del Cobre Puro Excelente Conductividad Eléctrica (precedido por Ag). Excelente Conductividad Térmica. Elevada Ductilidad y Maleabilidad. Resistencia a la corrosión – Metal Seminoble  Pátina Verde. Conductividad Relativa (Cu=100) Metal Eléctrica Térmica Ag 106 108 Cu 100 Au 72 76 Al 62 56 Mg 39 41 Zn 29 Ni 25 15 Cd 23 24 Co 18 17 Fe Acero 13-17 Pt 16 Sn Pb 8 9 Propiedades del Cobre y de aleaciones de cobre Muy buena soldabilidad. Excelente resistencia a la corrosión. Endurecimiento por def. plástica en frío y en caliente (Acritud). Algunas son bonificables. Relativam. baja Dureza. Relativam. baja Resistencia Mecánica. Elevada Ductilidad. No magnético. Reciclable. El cobre y la mayoría de sus aleaciones se caracterizan por su resistencia mecánica moderada junto a una elevada ductilidad, y esta circunstancia hace que sean especialmente adecuados para tratamientos mecánicos en frío destinados a la fabricación de chapas, bandas y alambres. El trabajo en frío confiere al material cierto grado de acritud, que aumenta su dureza y su resistencia mecánica en detrimento de su ductilidad, dificultando con ello deformaciones plásticas posteriores. Para muchas aplicaciones, este estado puede ser de interés, pero igualmente podemos volver al estado primitivo de ablandamiento mediante un recocido adecuado, permitiendo de esta manera tratamientos en frío posteriores, tales como el hilado, prensado, estirado duro, acuñado, curvado y otros procesos de conformación que transformen al material en productos acabados. Por otra parte, ciertas aleaciones de cobre son bonificables, de manera que con un adecuado tratamiento térmico se logra aumentar de una manera notable su dureza y resistencia, con propiedades similares a la de algunos aceros de herramientas. Se producen igualmente gran número de productos por tratamiento mecánico en caliente por estampación, forjado y extrusión; y en muchos de estos materiales se ajusta la composición para incrementar su fácil mecanizado. Igualmente se emplean con gran extensión los productos moldeados, no sólo por la facilidad con que se obtienen en la mayoría de los casos, sino también por sus óptimas propiedades mecánicas que les caracterizan, tales como la resistencia y la tenacidad. En el vasto campo de las aleaciones de cobre encontramos materiales que cumplen muy variados requisitos respecto a las propiedades mecánicas, a las que hay que añadir otras ventajas tales como elevada conductibilidad eléctrica y térmica, cualidades no magnéticas y excelente resistencia a la corrosión y al desgaste. De manera que encontramos aleaciones que a una excelente mecanización unen una conductibilidad eléctrica elevada, y otros cuya composición se ajusta para resistir a la corrosión al agua del mar. Aleaciones

6 Usos generales del Cu y aleaciones
1) Construcción de edificios 48%: cables eléctricos, fontanería y calefacción, aire acondicionado y refrigeración comercial, terminaciones y usos arquitectónicos. 2) Productos eléctricos y electrónicos 21%: Cables y equipos para la energía y servicios públicos de telecomunicaciones, equipos electrónicos y dispositivos de alumbrado y cableado. 3) Maquinaria y equipo industrial 10%: Equipos de planta, válvulas y accesorios, instrumentos no eléctricos e intercambiadores de calor. 4) Industria Automotriz y transporte en general 10%: Camiones, autos, autobuses, ferrocarril, barcos, vehículos aéreos y espaciales. 5) Productos de consumo y de uso general 11%: electrodomésticos, juegos de cables, pertrechos militares y municiones comerciales, electrónica de consumo, cierres y clausuras, monedas, utensilios y cubiertos, adornos y otros. 5 4 1 3 2 Building construction includes electrical wire, plumbing and heating, air conditioning and commercial refrigeration, builders’ hardware, and architectural uses. Electrical and electronic products include wire and equipment for the power and telecom utilities, business electronics, and lighting and wiring devices. Industrial machinery and equipment includes in-plant equipment, industrial valves and fittings, nonelectrical instruments, off-highway vehicles, and heat exchangers. Transportation equipment includes road (cars, trucks, and buses), rail, marine, and air and space vehicles. Consumer and general products includes appliances, cord sets, military ordnance and commercial ammunition, consumer electronics, fasteners and closures, coinage, utensils and cutlery, and miscellaneous products.

7 Comparación de Precios

8 Estructuras del Cu y sus aleaciones
La celdilla fundamental de la red espacial de un grano cristalino de cobre es cúbica de caras centradas. Si se añade un segundo elemento de aleación, puede ocurrir: Solución sólida α. Con pequeñas cantidades de soluto, se obtiene una sustitución desordenada en la red espacial del cobre, conservando la red espacial cúbica de caras centradas. (ejemplos: Zn, Sn, Al, Ni, Be, Si) Estructura cúbica de cuerpo centrada, fase β (desordenado). Al incrementar la proporción del soluto, en algunos casos se forma una nueva esructura cristalina. Estructura cúbica de cuerpo centrada, fase β’ (ordenado). Bajo ciertas condiciones de equilibrio ocurre una nueva ordenación de la red espacial. Por ejemplo, en latones β, cuando Nº átomos Cu ≈ Zn, uno de los los átomos ocupan los vértices de la celdilla findamental. Insolubilidad. Algunos átomos no entran en solución sólida con el Cu, los cuales retienen su propia red cristalina. Permaneces distribuidos en la red cristalina del Cu. Ejemplos: Pb, Fe, Bi. Pueden ser beneficiosas perjudiciales. Formación de compuestos químicos estables. Ejemplos: O, S, Se, Te. Se producen precipitados. En algunos casos son deseables, según cómo varía la solubilidad del precipitado con la temperatura y la forma y ubicación del precipitado. Formación de estructuras martensíticas. En algunos casos, mediante un TT adecuado. Ejemplos: Latón: tetragonal de caras centrada, Cu-Sn  β’, Cu-Al  β’ (pseudohexagonal) y γ’ (hexagonal compacta). Solución sólida Cuando un elemento se introduce en la red espacial del cobre formando una solución sólida, se genera cierta distorsión de la red, y su efecto se traducirá, en general, en un endurecimiento del material, aumentando su resistencia mecánica a expensas de su ductilidad. De esta manera, las aleaciones de cobre son normalmente más duras y resistentes que el cobre puro. Insolubilidad Los elementos que no entran en solución sólida en el cobre, pueden ser beneficiosas perjudiciales. Por ejemplo, el bismuto tiende precipitarse en los bordes de grano, a manera de una película intercristalina, produciendo fragilidad en el cobre desoxidado. Formación de compuestos químicos estables Los compuestos de seleniuro y telurio de cobre son prácticamente insolubles en el cobre. Se distribuyen uniformemente en la matriz de cobre bajo la forma de partículas finas. Dan lugar a un fácil mecanizado del material por provocar la rotura rápida de las virutas formadas por la herramienta. Endurecimiento por precipitación: Si templamos una aleación de cobre endurecible por precipitación desde una temperatura elevada, los elementos adicionales quedarán retenidos en solución sólida a temperatura ambiente; pero volviendo a calentar a una temperatura media se provoca una precipitación de partículas submicroscópicas que distorsionan la red espacial del cobre en mayor grado que la mera presencia de los elementos de solución sólida, dando lugar al fenómeno que hemos denominado endurecimiento por precipitación. Desde este punto se han desarrollado un gran número de aleaciones de este tipo de base cobre y latón. Formación de estructuras martensíticas. Sabemos que la estructura martensítica presenta siempre una dureza superior a la de la solución sólida de donde procede. Por ello han alcanzado gran desarrollo las aleaciones del sistema Cu-Al, bonificables por un adecuado tratamiento térmico.

9 Metalurgia del Cobre En la antigüedad, el cobre se encontraba disponible en la naturaleza como elemento libre (cobre nativo). Debido que actualmente las reservas de Cu nativo están agotadas, se extrae de sus minerales (sulfuros u óxidos), dando origen a dos tipos de procesos de extracción: Las minas de cobre más importantes se encuentran en EEUU, Cordillera de los Andes, África Central y Rusia. El mineral de cobre contiene, en general, entre 0.2 y 3% de Cu  Procesos de Extracción Pirometalúrgicos (minerales sulfurados)  Procesos de Extracción Hidrometalúrgico (minerales oxidados)

10 Mina de Chuquicamata

11 Metalurgia del Cobre Las menas se dividen en sulfuradas, oxidadas y mixtas. Las menas sulfuradas suelen ser de origen primario, mientras que las menas oxidadas se forman como resultado de la oxidación de los minerales sulfurados. En general, en las menas hay cantidades considerables de otros metales: Zn, Pb, Au, Ag, Ni, Se, Ta. Calcosina (Cu2S) Calcopirita (CuFeS2) Cuprita (Cu2O) Covellina (CuS) Tenerita (CuO) Procesos de Extracción Hidrometalúrgico Procesos de Extracción Pirometalúrgico

12 Proceso Pirometalúrgico Gases de escape: Óxidos de S
1) Roca dinamitada (1-6%Cu) 2) Transporte 3) Trituración 4) Molienda 5) Concentración (flotación) 35%Cu 6) Filtrado Un mineral con menos del 0.5%Cu no se somete al proceso por no ser rentable. El secado tiene como objetivo disminuir el contenido de S hasta valores aceptables para el proceso, con el fin de disminuir el consumo de combustible en el horno de reverbero. 7) Secado en horno en medio oxidante a 600ºC (se limina el 50% del S) Concentrado de Cu Gases de escape: Óxidos de S (Posteriormente H2SO4)

13 Proceso Pirometalúrgico
Concentrado de Sulfuros de Cu y Fe + Metales de Interés Horno de Reverbero u Horno Eléctrico Escoria + SO2 (sulfuros) Mata (40%Cu + MI) Escoria % Cu (Óxidos Fe, Si, Ca, Mg) Convertidores Lingotes de Cu Blister (98%Cu + MI) Horno de Afino (Afino Térmico) Escoria Tough Pitch Copper (99.5%Cu + MI) Cu TP Horno de Reverbero: Se separa la mata (Cu y compuestos sulfurados) de la escoria (compuestos oxidados). Convertidor: La mata líquida se sopla con aire caliente, en donde los compuestos sulfurados (FeS) se oxidan formando la escoria. Se separa el cobre Blister. Etapas: a) Oxidación del sulfuro de Fe. Se obtiene la mata blanca en 6-25h. b) Se agrega fundente y se comienza a soplar. Se obtiene el Cu Blister en 2-3h. En todo el proceso, se evacua la escoria a medida que se forma y se va agregando al convertidor nuevas cargas de mata, manteniendo un nivel requerido. Horno de afino (horno de reverbero): Se oxidan las impurezas presentes en el cobre blister, evacuándolas con los gases y escoria. Proceso: 24h. Etapas: Fusion b) Oxidación de impurezas (se sopla aire) c) Eliminación de gases disueltos d) Desoxidación del Cu e) Colada Los metales nobles (Al, Fe, Ni, Zn, As, Sb) no se oxidan, por tener menor afinidad con el oxígeno que el Cu. El Se y Te quedan combinados con el S, por tener mayor afinidad con éste que con el O. Afino electrolítico. Duración: 5-12 días Cajas revestidas en Pb o plástico. Ánodos: a partir del Cu del horno de afino Cátodo: Cu electrolítico Electrolito: Solución de sulfato cúprico + H2SO4. MATA: Mezcla de sulfuros de Cu y Fe. No es Cu elemental. Cu Blister: Es Cu elemental + impurezas. Cu TP: Cobre comercial Cu ETP: Cobre electrolítico comercial Afino Electrolítico Fango + MI Metales de Interés Cobre electrolítico (99.9%Cu) Horno de Inducción Escoria Electrolitic Tough Pitch Copper (Cu ETP) Lingotes Barras

14 Proceso Hidrometalúrgico
1. Molienda – Trituración: El mineral debe ser reducido a un tamaño de 1cm de diam para la lixiviación. El material triturado se transporta canchas de apilamiento, para su posterior tratamiento de Lixiviación. Riego por goteo o aspersión de una solución de ácido sulfúrico o soluciones de amonio. Esta solución se infiltra en la pila hasta su base. La solución disuelve el cobre contenido en los minerales oxidados, formando una solución de sulfato de cobre. Luego de 14 a 60 días, se obtiene una solución enriquecida en cobre, pero con muchas impurezas. Objetivo: Obtener una solución purificada sólo con cobre. En esta etapa se transfiere selectivamente los iones de cobre desde la solución lixiviada hacia la solución electrolítica, mediante una solución orgánica (mezcla de solvente parafínico y un reactivo extractante). 2. Apilamiento: 3. Lixiviación: 4. Extracción por solvente (SX) 5. Electrodeposición (EW)

15 Proceso Hidrometalúrgico
1 Proceso Hidrometalúrgico 3 5 2 4

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18 Clasificación del cobre y de las aleaciones de cobre
Cobre no Aleado Latones (Cu-Zn) Alpacas (Cu-Zn-Ni) Latones especiales (Cu-Zn + Sn / Al / Fe / Mn / Ni / Si / Pb) Bronces (Cu-Sn) Cuproníqueles (Cu-Ni) Cuproaluminios Cuproplomos Cuproberilios Cuprosilicios Cupromanganesos Cuproantimonios Alpacas: Cu-Zn-Ni Ni: 10-30% / Cu: 54-64% / Zn: Resto Dentro de estos límites, la estructura de las alpacas comerciales es una solución sólida alfa homogénea, similar a la del latón alfa..

19 Cobre no Aleado Uso Eléctrico Uso Ingenieril

20 Cobre no Aleado Cobres de uso eléctrico (elevada conductividad):
 Cobre puros: TP, ETPHC, OFHC, DLP, DHP  Cobres débilmente aleados. Poseen pequeñas cantidades de algunos aleantes con la finalidad de endurecer (End x ss, End x def, End x pp) y aumentar la T de recristalización. Los aleantes elegidos no deben disminuir demasiado la conductividad. ● Cu-Ag (<1%): 100 IACS. T<200ºC. End por ss. ● Cu-Cd (<1%): IACS. T<200ºC. End por ss. ● Cu-Zr (<0.2%): 93 IACS. T<400ºC. End x def + End x pp + End x env. ● Cu-Cr (<1%): IACS. T<350ºC. End x pp ● Cu de maquinabilidad mejorada (Te, Pb, S): IACS. End por ss.  Conductividad Térmica  Resistencia a la Corrosión  Soldabilidad (Brazing y Soldering)  Ductilidad  Tenacidad  Antimicrobiano  Maleabilidad  Rango de Colores y acabados superficiales  Reciclabilidad Cobres de uso eléctrico (elevada conductividad): Cobres de uso ingenieril (no eléctrico): Arquitectura y cañerías: Aleaciones de cobre no aleadas de uso eléctrico: Se clasifican de acuerdo al contenido de oxígeno disuelto y al contenido de impurezas. Características generales: Buena conductividad electrica y térmica Elevada resistencia a la corrosión Muy buena formabilidad Razonable resistencia a la tracción Soldabilidad

21 Cobres de uso eléctrico (elevada conductividad)
Grado Proceso % Cu min % O Susceptible a FPH? Conductividad (IACS) TP Refinado térmico 99.85 0.02 a 0.04 Si 95 (tipico) ETPHC Refinado térmico y electrolítico. 99.90 >100 OFHC Refinado térmico y electrolítico. Refundido bajo condiciones reductoras (CO + N) 99.95 99.99 <0.01 No >101 % P Conductividad (IACS) DHP Refinado térmico y electrolítico. Desoxidado con P 0.02 a 0.03 70-90 DLP 0.004 a 0.012 90-97 Cobres Desoxidados TP: Tough Pitch TPHC: Tough Pitch High Conductivity ETPHC: Electrolitic Tough Pitch High Conductivity. El oxígeno es casi insoluble en el cobre y forma un eutéctico interdendrítico (Cu2O) en la solidificación. Los procesos de trabajado en caliente rompen esta res de Cu2O quedando como partículas alineadas en la dirección del trabajado. Si se lo expone a H2 a T>400ºC ocurre Hydrogen Embrittlement: Cu2O + 2H(disuelto)  2Cu + H2O(vapor). OFHC: Oxygen Free High Conductivity. Refundido en condiciones reductoras (CO + N) para prevenir el O. La microstructura de colada (as cast) está libre del eutéctico interdendrítico Cu2O. No es afectado por HE. DHP: De- Oxidised High Phosforous. El fósforo se agrega en cantidad suficiente para producir P2O5 (pentóxido de fosforo). Esto reduce la cantidad de O disuelto, dando lugar a un cobre de elevada conductividad. El exceso de P perjudica a la conductividad. DLP: De- Oxidised Low Phosforous. Idem IACS: International Annealed Copper Standard. A value for conductivity agreed in 1913 with copper being given the value of 100%, equivalent to 58MS/m or a mass resistivity of Ωg/m2. Advances in refining mean that high conductivity copper is now frequently of 103% conductivity. Un hilo de cobre de 1 metro de longitud y un gramo de masa, que da una resistencia de 0,15388 Ω a 20 °C al que asignó una conductividad eléctrica de 100% IACS (International Annealed Cooper Standard, Estándar Internacional de Cobre no Aleado).

22 Cobre OFHC Cobre OFHC. 50X. Ataque con H2O2/NH4OH. Estructura: Trabajado en frío + recocido + trabajado en frío nuevamente. Esto se deduce de la curvatura en las líneas de las maclas de recocido.

23 Cobre TP Estructura de colada. Cobre TP. 200X. Se observan dendritas de Cu primario y eutéctico Cu/Cu2O.

24 Gas Solubility. Hydrogen and oxygen are quite soluble in liquid copper, but the solubility in solid copper is very small. The metal therefore rejects a considerable amount of these (and other) gases on solidification. Oxygen content must be carefully controlled so that detrimental quantities of Cu2O, which decreases workability, are not formed. In molten copper, oxygen can react with dissolved hydrogen to form water vapor, which evolves as voids during solidification, called hydrogen illness. The voids cause hairline cracks that can lead to fracture during hot rolling and produce a variety of defects on the surface of wire rods (Ref 2). Oxygen and hydrogen interfere with conductivity; however, small and controlled amounts of oxygen are actually beneficial to conductivity in that they combine with and remove from solution impurities such as iron that are far more detrimental. A copper-oxygen phase diagram would show a eutectic at 0.4 wt% O (or 3.4 wt% OFC. Trabajado en frío y recocido 30” a 850 °C.Granos equiaxiales recristalizados con maclas de recocido. O < 0.024%. Dendritas primarias de Cu (zonas claras) + eutéctico. Sin ataque. 100× O < 0.09%. Dendritas primarias de Cu (zonas claras) + eutéctico. Sin ataque. 100×

25 Dureza Rockwell a b c d e f
Cobre afinado (99.85%Cu) con diferentes estados de acritud. 200X. a b c Recocido Dureza Rockwell F B 30T a 49 - b 80 33 c 86 41 53 d 89 54 58 e 62 f >92 >61 d e f

26 LATONES (aleaciones Cu-Zn) Latones α Latones α + β
En el latón al plomo, el plomo es prácticamente insoluble en el latón, y se separa en forma de finos glóbulos, lo que favorece la fragmentación de las virutas en el mecanizado. También el plomo tiene un efecto de lubricante por su bajo punto de fusión, lo que permite disminuir el desgaste de la herramienta de corte. El latón admite pocos tratamientos térmicos y sólo se realizan recocidos de recristalización y homogeneización. Trab. Mec en Caliente Trab. Mec. en Frío (acritud) En gral Zn<36% Trab. Mec en Caliente Bonificables En gral 37.5% < Zn < 40%

27 Latones α, cúbica de caras centrada ordenado cub de cuerpo centrado
(desordenado) Solución sólida α: Estructura cúbicas de caras centradas. Los átomos de Zn reemplazan átomos de Cu de una manera desordenada. Fase β: Estructura cúbica de cuerpo centrado. Entre las zonas α y β existe un campo donde coexisten ambas fases, y a través de la cual la proporción de fase β se incrementa a expensas de la α a medida que el contenido en Zn de la aleación se incrementa. Fase γ: Es un compuesto Cu5Zn8, de estructura cúbica compleja. Su fragilidad hace que estos latones no tengan aplicación industrial. Línea de trazos: cruza los campos (α+β) , β , (β+γ) a 454 y 468ºC, indica un cambio progresivo de la fase β, desordenada, a una estructura β', ordenada, o viceversa. La reacción de ordenación es tan rápida que no puede evitarse ni aun retardarse por un enfriamiento rápido. Ejemplo de un caso práctico: Aleación 62,5% Cu – 37.5%Zn Bajo condiciones de equilibrio tiene una estructura completamente β a 900°C y una estructura uniforme α alrededor de 500ºC Si se templa desde 880°C, inmediatamente por debajo de su temperatura de solidificación, consistirá enteramente en fase β, o, mejor dicho, en fase β’ ordenada, ya que no hay procedimiento de enfriamiento lo suficientemente drástico para evitar la ordenación regular de los átomos cuando se cruza la línea de trazos. Si se templa desde 830ºC, justo por debajo de la línea de precipitación de α, se presentará una pequeña proporción de estructura α secundaria junto con la fase β. A medida que la temperatura de temple se disminuye, la proporción de fase β decrecerá, hasta que hacia unos 550ºC la aleación consistirá enteramente en estructura α. Por debajo de 350ºC, sin embargo, existe la tendencia teórica a volver a precipitar la fase β’, pero el alcance del equilibrio es tan lento (a esta baja T) que tal transformación raramente se presenta en la práctica. Si se templa desde 880°C en una solución de agua salada helada (-14ºC), la aleación experimenta una transformación sin difusión, dando lugar a una estructura martensítica. Mediante este enfriamiento rápido no se permite la oportunidad a la fase β para consumir el tiempo de difusión en el intervalo de ºC; así, pues, la fase β retenida, o más bien la β’, se transforma hacia los -14°C en una estructura tetragonal centrada de caras. Esta estructura es similar a la α, su diferencia es que tiene una arista más larga que las otras dos. La transformación martensítica de este latón no tiene importancia industrial, ya que, por una parte, la necesidad de un calentamiento de unos pocos grados por debajo del punto de fusión da lugar a un grano muy basto, y por otra parte, el rápido enfriamiento requerido puede alcanzarse solamente en probetas relativamente delgadas. ordenado

28 Latones Ejemplos de latones comerciales forjados y usos Aleación %Zn
Aplicaciones Latón dorado 5 Imitación de oro, joyerías Bronce Comercial 10 Bisutería, embutidos, forjados, pequeña ferretería (tornillos, remaches) Latón Rojo (C23000) 15 Embutidos, entallas estampados, radiadoes de automóbiles, tubos Latón Bajo (C24000) 20 Artículos estirados y estampados, tubos flexibles Latón de Cartuchería “70-30” (C26000) 30 Mejor zona para la embutición Latón Alto, Amarillo (C27000) 35 Alfileres, roblones, instrumentos musicales, vainas de cartuchos Metal Muntz (C28000) 40 Arquitectura, industria naviera Los latones con más de 50%Zn son frágiles (aprece el microconstituyente γ), por lo que no se lo emplean en la industria.

29 Latones Mayor RESISTENCIA Mayor %Zn Mayor DUREZA Menor DUCTILIDAD
Latones α (<36%Zn) Puede ser trabajado en caliente (730 – 900ºC) y en frío. En estado recocido es extremadamente dúctil y maleable. Latones α + β (37.5% < Zn < 40%) Mayor resistencia y dureza por el mayor contenido de Zn (endurecimiento por SS y por borde de grano). Menor ductilidad por la presencia de la fase β. Los latones α+β son difíciles de tabajar en frío. α, FCC BCC des BCC ord Latones aleados: Se agregan pequeñas cantidades de elementos (Sn, Al, Si, Mg, Ni, Pb). Los latones se dividen comercialmente en 2 grupos: Latones alfa (hipoperitéctico): estructura alfa (solución sólida de Zn en Cu) con estructura FCC hasta un 36% Zn. Latones alfa + beta (hiperperitéctico): estructura bifásica. Beta es BCC. Microestructura: Se observan maclas de recocido sólo en los granos alfa, en los latones alfa que han sido trabajados en frio y después recocidos. En el recocido, se produce una recristalización + maclas de recocido. En los latones especiales se agregan elementos de aleación (pequeñas cantidades de Sn, Al, Fe, Mn, Ni, Si y/o Pb) para incrementar la resistencia mecánica  efecto sinérgico.

30 Latón α (Cu-30%Zn) (Latón de Cartuchería) Estructura de colada.
50X. Se observan sólo 3 granos y una triple frontera. La diferencia en los contrastes de cada grano se debe a la diferencia en reflectividad según la orientación de las dendritas. Prácticamente, cada grano consiste en una única dendrita con múltiples ramificaciones. También se observa microsegrecación de los espacios interdendríticos.

31 Latón α 500X. De la figura se deduce la siguiente historia termomecánica: Colado. Trabajado en frío. Recocido. Porque se observan maclas de recocido. Siempre que se observan maclas de recocido en un metal cúbico de caras centrado, podemos deducir que hubo trabajado en frío seguido de un TT de recocido. Trabajado en frío (leve). Por la curvatura en las líneas de macla de recocido.

32 Latón α + β (Cu-40%Zn) (Metal Muntz)
200X.Enfriamiento en aire desde 825ºC (región monofásica β). Se observa la fase α Widmanstaetten. La fase α precipita dentro de los granos β y en los bordes de grano. Habría menor cantidad de fase α (o nada) en caso de haber templado desde 825ºC. Al contrario, en caso de un enfriamiento lento (en el horno) se obtendría mayor cantidad de fase α y formando precipitados redondeados, es decir una microestructura de equilibrio.

33 Latón α + β (Cu-40%Zn) (Metal Muntz) 500X. Templado desde 825ºC.

34 BRONCES (aleaciones Cu-Sn) Bronces α Bronces de estructura compleja
Trab. Mec en Caliente Trab. Mec. en Frío (acritud) Aleaciones forjadas Trab. Mec en Caliente Bonificables Aleaciones coladas

35 Bronces Aleaciones moldeadas En la práctica, las aleaciones comerciales Cu-Sn en estado de moldeo, con contenidos de Sn superiores al 8%, se encuentran fuera de equilibrio, mostrando la presencia de un segundo constituyente, fase δ. Aleaciones recocidas luego de un trabajado en frío excesivo. En la práctica raramente se presenta la disminución de solubilidad del Sn en fase alfa por debajo de 520ºC, y en las aleaciones comerciales recocidas durante tiempos extremadamente largos luego de un trabajado mecánico en frío severo, puede considerarse constante la solubilidad por debajo de 520ºC hasta un contenido de 15,8% Sn. Igualmente, la descomposición de la fase δ por debajo de 350ºC es muy lenta, y por consiguiente, en la práctica puede considerarse que la región alfa + δ se extiende verticalmente por debajo del nivel de 520ºC. Por ello, la fase δ se podría considerar estable a T ambiente, ya que la transformación eutectoide δ  alfa + ε es demasiado lenta. Por ejemplo, en un bronce de 33%Sn, después de 23 días a 300ºC, sólo se transforma aproximadamente un 5% de fase δ. Los campos β y gamma fueron objeto de muchas discusiones entre los investigadores, ya que estas fases no difieren mucho en su estructura cristalina y sus microestructuras son difíciles de distinguir. Ninguna de las dos pueden retenerse a temperatura ambiente por temple de las aleaciones puras, pero dan lugar a una serie de estructuras de transición complejas metaestables. Diagrama que se presenta en la práctica de aleaciones Cu-Sn moldeadas. Diagrama que se presenta en la práctica de aleaciones Cu-Sn luego de un recocido. Diagrama de equilibrio

36 Bronces Los bronces (aleaciones Cu-Sn) frecuentemente tienen otros elementos de aleación: P (bronces fosforosos), Zn (bronces rojos), Ni, Pb. Se obtienen generalmente por fusión directa de ambos metales. Se dividen en dos grupos: 1) Aleaciones forjadas. Estructura α. 2) Aleaciones moldeadas. Estructura α y compleja. Los bronces de más de 32% de Sn son muy frágiles y no tienen uso masivo en la industria, aunque puede encontrarse bronces de hasta 40%Sn de usos decorativos.

37 Bronces Microestructuras Primer caso:
Sn<8%, Moldeado: Estructura α  Blanda, dúctil y maleable. Sn>8%, Moldeado: Estructura α + eutectoide (α + δ)  Duro y frágil. Este eutectoide aumenta en pocentaje a medida que es mayor el %Zn. Segundo caso: 8%<Sn<15.8%, Moldeado: Estructura α + eutectoide (α + δ)  Duro y frágil 8%<Sn<15.8%, Con TT adecuado: Estructura α  Blanda, dúctil y maleable. Mediante un tratamiento termomecánico adecuado (trabajado mecánico + recristalización), puede obtenerse un bronce de estructura α con hasta 15.8%Sn. Conservando una microestrucura blanda, dúctil y maleable, lo cual facilita las técnicas de conformado. Esta es la base por la cual los bronces forjados tienen Sn<15.8%. El diagrama de fases de no equilibro se genera porque estas aleaciones tienen un campo entre solidus y liquidus muy amplio, produciéndose importante segregación en fase α a medida que solidifica. De esta forma, el líquido remanente va modificando su composición química, generando el diagrama de no equilibrio.

38 Bronces Propiedades mecánicas
Los bronces α en estado laminado y recocido tienen propiedades mecánicas que dependerán del contenido de Sn. A mayor Sn, mayor dureza y resistencia mecánica. La mejora en la resistencia mecánica alcanza el máximo con 15%Sn. De esta forma, los bronces de hasta 15,8%Sn, pueden conducirse a un estado que les permita conformarse en chapas, bandas, alambres y redondos mediante un trabajo mecánico en frío. Estos bronces así homogeneizados poseen una buena resistencia a la corrosión, y por ello se emplean en los casos donde se requiere elasticidad junto con buena resistencia al ataque químico (por ej, elementos de bombas y válvulas). BRONCES DE ESTRUCTURA COMPLEJA. El temple y revenido de bronces con más de 15,8% Sn, tienen un incremento de dureza, pero las aleaciones se hacen tan frágiles que pueden presentar microgrietas luego del tratamiento. Por ello, estos bronces se emplean en estado de moldeo, y en las aplicaciones industriales no suelen sobrepasar 20% Sn. Son de estructura compleja, y los constituyentes ricos en Sn son duros y frágiles, mientras que la matriz, solución sólida α rica en Cu, es blanda. Esta combinación hace que estos bronces sean especialmente adecuados para empleo en cojinetes (así como bronces con Sn>8% moldeados y sin tratamiento de homogeneización); y además debido a su excelente resistencia mecánica, en combinación con su resistencia a la corrosión, hace que su empleo se extienda también a numerosos productos, tales como cuerpos de válvulas y uniones de tuberías, empleados en sistemas de vapor y en la industria química.

39 Bronce (Cu-10%Sn). Estructura de colada.
50X: Se observa la estructura dendrítica 200X y 500X: Se distingue la fase δ y se observa segregación de la fase α (dendritas). En las 3 micrografías, las zonas oscuras pueden ser cavidades de rechupe o partículas de plomo. 50X. α α α δ δ 500X. 200X.

40 Bronce α 50X. Se observa fase α sin deformación en frío, dado que las maclas son de recocido (y no de deformación), por tener las líneas de macla rectas y paralelas.

41 Bronce α 200X 500X Se observa fase α con deformación en frío. Se observan maclas de deformación y maclas de recocido. El trabajado en frío fue realizado posterior al tratamiento térmico de recocido Esto se deduce por la curvatura en las líneas de macla. Las maclas de recocido ponen en evidencia deformación en frío antes del TT, debido a que en las aleaciones de Cu, las estructuras de colada no tienen maclas. Sin embargo, las maclas de recocido también están deformadas, por lo que hubo un segundo trabajado en frío posterior al tratamiento térmico.

42 Bronce de estructura compleja
Cu – 22%Sn. 150X. Se observa una estructura de temple, constituida por islas de α y β acicular (Espejo de Java).

43 CUPRONIQUELES (aleaciones Cu-Ni) Fase α

44 Cuproníqueles Cu: Ra = 0.128nm EN:1.9 +1/+2
Cu y el Ni dan lugar a series continuas de soluciones sólidas α, ya que, además de ser elementos adyacentes en la tabla periódica, son electroquímicamente similares, tienen átomos de tamaño próximamente iguales en estado sólido y ambos son de estructura cúbica de caras centradas. Se obtiene como resultado una solución sólida sustitucional. Todas las composiciones son maleables tanto en caliente como en frío, obteniéndose aleaciones industriales en todo el campo de composiciones. Cu: Ra = 0.128nm EN: /+2 Ni: Ra = 0.125nm EN: La adición de Ni al Cu aumenta su dureza, resistencia a la tracción, resistencia a la corrosión y disminuye el alargamiento.

45 Aleación C72500 (Cu, 10% Ni, 2% Sn) Unidad de escala: 25Micrones

46 CUPROALUMINIOS (aleaciones Cu-Al)
Cuproaluminios de estructura compleja Cuproaluminios α Trab. Mec. en Caliente Trab. Mec. en Frío (acritud) Aleaciones forjadas En gral Al<8% Trab. Mec. en Caliente Bonificables Aleaciones coladas En gral 9% < Al <12%

47 Cuproaluminios Los cuproaluminios (mal llamados bronces al aluminio) tienen de 4 a 11% Al, con o sin elementos de aleación (Fe, Ni, Mn). Las aleaciones con más de 12% Al son muy frágiles, con casi ninguna aplicación industrial (excepto aleaciones Al-Cu). α: ss, cúbica de caras centrada β: Cu3Al, cúbica de cuerpo centrado. χ: Cu9Al4, cúbica compleja. γ1: Cu9Al4, γ2: Cu9Al4, Qué se destaca del diagrama de fases: Elevado punto de fusión de las aleaciones Cu-Al. Estrecho intervalo de solidificación (segregación). Variación de los límites de solubilidad α y α + β al disminuir la temperatura. Transformación eutectoide β  α + γ2 a 565ºC Cada uno de estos factores influyen de una etapa a otra en el proceso de fabricación. Los dos primeros factores influyen apreciablemente en el proceso de fusión y colada, pues, por una parte, el estrecho intervalo de solidificación obliga a prestar un cuidado especial en la alimentación durante la colada, pero, por otro lado, este mismo factor hace que se presente poca segregación en las grandes piezas moldeadas, y la segregación inversa, tan seria en los bronces Cu-Sn, apenas se manifiesta en las aleaciones Cu-Al de base cobre. A causa de la reducción en los límites de solubilidad con el aumento de temperatura, el enfriamiento de las aleaciones Cu-Al de determinada composición, desde temperaturas suficientemente elevadas, provocará la retención de cierta cantidad de fase β en exceso, y esto, junto con la transformación 565ºC, constituye la base de la mayor parte de los tratamientos térmicos de los cuproaluminios.

48 Cuproaluminios Micoestructuralmente se pueden dividir en 2 grupos:
Cuproaluminios α: con <8%Al tienen una estructura α, que es plástica y dúctil. Al igual que los latones α y bronces α, admiten trabajado mecánico en frío (por ej laminado y estirado en frío) previo tratamiento térmico de homogenización. Cuproaluminios de estructura compleja: con 9-11%Al dan lugar a la precipitación de γ2, que es duro y frágil. Estas aleaciones pueden ser trabajadas mecánicamente en caliente y son en general empleadas en componentes colados. Generalmente tienen Fe, Ni y Mn. Generalmente se añade Fe (del orden del 2%), Ni y en menor medida Mn. Estos elementos entran en solución sólida e influyen en el refinamiento de grano, tanto en productos forjados como colados. Los cuproaluminios son aleaciones resistentes a la oxidación, por formar una película de óxido de aluminio en la superficie, protegiéndolo de la oxidación tanto en estado sólido como en el líquido.

49 Ejemplo: Aleación Cu-11.8%Al (composición eutectoide):
Enfriamiento isotérmico entre ºC o enfriamiento contínuo <1ºC/min: Se produce la transformación eutectoide en un agregado perlítico α + γ2. Enfriamiento rápido. Reacción de β (des)  β1 (ord). No puede evitarse ni aun con un enfriamiento rápido. A menores temperaturas ocurre una transformación martensítica. Según la composición química, se pueden dar dos tipos de transformaciones martensíticas: γ’ (para Al>13%) y β’ (para Al<13%). En resumen, si el enfriamiento es lento: Β(des)  β1(ord)  α + γ2 Transformación Eutectoide @500ºC Si el enfriamiento es rápido: Al>13%: β1  γ’ Β(des)  β1(ord) Transformaciones Martensíticas @500ºC Al<13%: β1  β’ β1 y γ’ son estructuras hexagonales compactas. Difieren en el aspecto radiográfico y en el aspecto micrográfico.

50 Estructura de Enfriamiento Lento
Cu – 10.5%Al ºC + enfriamiento al horno 100X 5000X Eutectoide α+γ2 (microscopio electrónico) Se observa una fase α (zonas claras) y eutectoide (α+γ2). Cu – 9.5%Al – 2.5%Fe

51 Estructura de Enfriamiento Rápido
Cu – 10.5%Al ºC + enfriamiento al agua 100X 5000X Estructura α + β’ Fase β’, martensita acicular (microscopio electrónico) Enfriamiento rápido: a una velocidad superior a la crítica, en función de la composición de la aleación.

52 Estructuras de temple crecientes para un cuproaluminio con 10.5%Al.
α + (α + γ2) α + β’ α + β’ De colada Temple de 700ºC Temple de 850ºC α + (α + γ2) α + β’ β’ Temple de 450ºC Temple de 750ºC Temple de 900ºC α + β’ α + β’ Estructuras de temple crecientes para un cuproaluminio con 10.5%Al. (temples al agua) Temple de 600ºC Temple de 800ºC

53 Propiedades Mecánicas típicas del Cobre y algunas Aleaciones de Cobre

54 Aleaciones con Memoria de Forma Efecto de memoria de forma
Superelasticidad o pseudoelasticidad

55 Aleaciones con Memoria de Forma
Efecto de memoria de forma El térmico se aplica a un grupo de aleaciones metálicas que muestran la habilidad de retomar una forma previamente definida cuando se lo somete a un ciclo térmico apropiado. Este efecto se produce gracias a una transformación martensítica termoelástica. Ejemplo: Se tiene un trozo de alambre con una forma predefinida (podría se un resorte). Se le aplica una fuerza, se lo estira y se lo deforma plásticamente (al menos no recupera la forma original al retirar la fuerza). Luego, se somete al alambre deformado a un ciclo térmico adecuado y el alambre recupera la forma de resorte original. Este efecto se llama efecto de memoria de forma simple porque únicamente la forma caliente es memorizada, a la diferencia del efecto de memoria de forma doble en que tanto la forma fría como la caliente son recordadas. Aleaciones con Memoria de Forma 1.- En primer lugar el material se enfría sin esfuerzo, partiendo desde una temperatura superior a Af (Austenite finish), hasta una temperatura inferior a Mf (Martensite Start). En este paso se produce la transformación directa (de austenita a martensita) y la martensita se forma de una manera autoacomodada para minimizar la energía del sistema, de manera que la forma macroscópica del material no cambia. 2.- Posteriormente se aplica un esfuerzo creciente de manera que la aleación se deforma. Esta deformación es el resultado de la deformación elástica de la martensita, así como de la reorientación de las variantes formadas durante el enfriamiento, las cuales se mueven con facilidad, de manera que se acomodan al esfuerzo aplicado. En este punto cabe destacar que si el esfuerzo es muy grande se puede introducir deformación plástica u otro tipo de efectos que hagan que el proceso no sea totalmente reversible. 3.- A continuación el esfuerzo se relaja conservándose una deformación residual. 4.- Finalmente la aleación recupera su forma original mediante la elevación de la temperatura por encima de Af. La deformación residual desaparece a través de la transformación inversa a austenita de una forma reversible. La mayoría de los metales comienzan la deformación plástica a partir de 0.2 % de elongación (ensayo de tracción). Las aleaciones con memoria de forma pueden ser deformadas hasta un 5 % sin llegar a su plasticidad.

56 MARTENSITA NO TERMOELÁSTICA (por ej. Aceros)
La transformación tiene un carácter explosivo y se acompaña de un cambio de volumen considerable, lo que crea una deformación plástica importante en la austenita. El mecanismo de deformación plástica predominante es el movimiento de dislocaciones. Tan pronto una plaqueta se forma hasta un cierto tamaño después de ser enfriada, ésta deja de crecer incluso si el enfriamiento continúa, la interfase entonces se ha hecho inmóvil. La transformación inversa no se produce por un movimiento de regreso de la interfase, sino por nucleación de la austenita en el seno de las plaquetas de martensita. Finalmente la fase inicial (austenita) no recupera su orientación original. MARTENSITA TERMOELÁSTICA (Aleaciones con memoria de forma) La transformación se produce mediante un crecimiento continuo de la fase martensítica durante el enfriamiento. Si el enfriamiento se detiene, la transformación y el crecimiento de las plaquetas se interrumpe también. Si el enfriamiento continúa de nuevo, el crecimiento de las plaquetas continuará. El mecanismo de deformación plástica predominante es el maclado. La transformación inversa durante el calentamiento, en este caso sí se produce por el movimiento de regreso de la interfase y por consecuencia se recupera la orientación original.

57 Efecto de memoria de forma Transformación martensítica termoelástica
El efecto de memoria de forma simple resulta de un proceso termomecánico: - Enfriar el material hasta una temperatura por debajo de Mf sin aplicar ninguna tensión. Esto provoca una transformación martensítica completa pero sin deformación macroscópica porque se forman distintas variantes que no son orientadas por la tensión. - Aplicación de una carga y después una descarga cuando lo material se encuentra en el estado martensítico. Esta secuencia reorienta las variantes de la martensita. - Calentar el material hasta una temperatura superior a Af, bajo un tensión nula. Este ultimo paso da lugar a la transformación inversa, de la martensita a austenita. Eso provoca

58 Superelasticidad o pseudoelasticidad
Si una aleación com memoria de forma es deformada a una temperatura ligeramente superior a Ms, es decir, en fase austenítica, puede provocarse la transformación martensítica (inducida por tensión). En realidad, esto significa que el esfuerzo hace aumentar la Ms. Cuando se deja de aplicar esta tensión, el material recupera su forma original dado que se encuentra a una temperatura superior a la Ms. Finalmente, el fenómeno de superelasticidad se basa en la formación de martensita inducida por tensión.

59 Efecto de memoria de forma y superelasticidad
Curva a La aleación se encuentra en fase austeítica. Ocurre deformación plástica apreciable a un nivel meyor de tensiones y no ocurre cambio de fase. El material no recupera su forma original. Curva b (efecto de memoria de forma) El material se encuentra a T2, inferior a Ms, por lo que se encuentra en fase martensítica. La martensita se deforma de manera considerable (puede ser de hasta un 10%, según la aleación) a un nivel bajo de tensiones. Al retirar la carga, el material queda con una deformación aparentemente plástica. Luego de un calentamiento, a una temperatura superior a Af, el material recupera la forma original (línea de puntos). Curva c (superelasticidad) El material se encuentra a una temperatura ligeramente superior a Ms. A esta temperatura, la martensita puede ser inducida por tensión, con lo cual ocurre una deformación que aumenta a un nivel de tensiones constante (curva A-B). Al retirar la carga, el material vuelve a transformar a austenita por tener un nivel de tensiones menor (curva C-D), ocurriendo la recuperación de la forma original.