Transcript 21 Clase Cobre 2011 - Ciencia de los Materiales

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
Evolución de la Ingeniería
en Materiales
Edad de Piedra: 2500000 - 3000 a.C
Edad de Cobre: 4000 – 3000 a.C
Edad de Bronce: 3000 – 1500 a.C
Edad de Hierro: 1500 a.C
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
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.
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.
Aleaciones
• Relativam. baja Resistencia Mecánica.
• Elevada Ductilidad.
• No magnético.
• Reciclable.
Conductividad
Relativa (Cu=100)
Metal
Eléctrica
Térmica
Ag
106
108
Cu
100
100
Au
72
76
Al
62
56
Mg
39
41
Zn
29
29
Ni
25
15
Cd
23
24
Co
18
17
Fe
17
17
Acero
13-17
13-17
Pt
16
18
Sn
15
17
Pb
8
9
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.
5
4
1
3
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.
http://minerals.usgs.gov/ds/2005/140/copper.xls
2
Building construction
Electrical and
electronic products
Industrial machinery
and equipment
Transportation
equipment
Consumer and general
products
Comparación de Precios
USD/KG
USD/ton
Steel Coil (hot rolled)
0,513
513
Alum Alloy
1,730
1730
Aluminum
1,904
1904
Zinc
2,136
2136
SS304 (hot rolled)
2,21
2210
Lead
2,241
2241
Copper
6,500
6500
Tin
14,855
14855
Nickel
16,185
16185
Gold
10000
10000000
http://www.metalprices.com/#
http://www.steelonthenet.com/prices.html
Costo relativo
1
3
4
4
4
4
13
29
32
19493
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).
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:
 Procesos de Extracción Pirometalúrgicos (minerales sulfurados)
 Procesos de Extracción Hidrometalúrgico (minerales oxidados)
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
Mina de Chuquicamata
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)
Covellina (CuS)
Procesos de Extracción
Pirometalúrgico
Cuprita (Cu2O)
Tenerita (CuO)
Procesos de Extracción
Hidrometalúrgico
Proceso Pirometalúrgico
1) Roca dinamitada (1-6%Cu)
2) Transporte
3) Trituración
4) Molienda
5) Concentración (flotación) 35%Cu
6) Filtrado
7) Secado en horno en medio oxidante
a 600ºC (se limina el 50% del S)
http://mineria-chilena.blogspot.com/
Concentrado
de Cu
Gases de escape: Óxidos de S
(Posteriormente H2SO4)
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)
Convertidores
Escoria + 2% Cu
(Óxidos Fe, Si, Ca, Mg)
Lingotes de Cu Blister
(98%Cu + MI)
Horno de Afino
Escoria
Tough Pitch Copper
(99.5%Cu + MI) Cu TP
Afino Electrolítico
Cobre electrolítico
(99.9%Cu)
(Afino Térmico)
Horno de Inducción
Electrolitic Tough Pitch Copper
(Cu ETP)
Barras
Lingotes
Fango + MI
Metales de Interés
Escoria
Proceso Hidrometalúrgico
1. Molienda – Trituración:
El mineral debe ser reducido a un tamaño de 1cm de diam para la lixiviación.
2. Apilamiento:
El material triturado se transporta canchas de apilamiento, para su posterior
tratamiento de Lixiviación.
3. 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.
4. Extracción por solvente (SX)
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).
5. Electrodeposición (EW)
1
Proceso Hidrometalúrgico
3
5
http://www.haldeman.cl/mine
rahmc/index.php/es/procesoproductivo
2
4
Clasificación del cobre y de las
aleaciones de cobre
1) Cobre no Aleado
2) Latones (Cu-Zn)
3) Alpacas (Cu-Zn-Ni)
4) Latones especiales (Cu-Zn + Sn / Al / Fe / Mn / Ni / Si / Pb)
5) Bronces (Cu-Sn)
6) Cuproníqueles (Cu-Ni)
7) Cuproaluminios
8) Cuproplomos
9) Cuproberilios
10)Cuprosilicios
11)Cupromanganesos
12)Cuproantimonios
Cobre no Aleado
Uso Eléctrico
Uso Ingenieril
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%): 90-97 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%): 80-85 IACS. T<350ºC. End x pp
● Cu de maquinabilidad mejorada (Te, Pb, S): 95-98 IACS. End por ss.
Cobres de uso ingenieril (no eléctrico): Arquitectura y cañerías:
 Conductividad Térmica
 Resistencia a la Corrosión
 Soldabilidad (Brazing y Soldering)
 Ductilidad
 Tenacidad
 Antimicrobiano
 Maleabilidad
 Rango de Colores y acabados superficiales
 Reciclabilidad
http://www.copperinfo.co.uk/alloys/copper/homepage.shtml
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
0.02 a 0.04
Si
>100
OFHC
Refinado térmico y electrolítico.
Refundido bajo condiciones reductoras
(CO + N)
99.95
99.99
<0.01
No
>100
>101
Cobres Desoxidados
Grado
Proceso
%P
Conductividad (IACS)
DHP
Refinado térmico y electrolítico. Desoxidado con P
0.02 a 0.03
70-90
DLP
Refinado térmico y electrolítico. Desoxidado con P
0.004 a 0.012
90-97
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.
Cobre TP
Estructura de colada. Cobre TP. 200X.
Se observan dendritas de Cu primario y eutéctico Cu/Cu2O.
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×
OFC. Trabajado en frío y recocido 30”
a 850 °C.Granos equiaxiales
recristalizados con maclas de
recocido.
Cobre afinado (99.85%Cu)
con diferentes estados
de acritud. 200X.
a
b
c
Recocido
Dureza Rockwell
d
e
f
a
b
c
d
e
f
F
49
80
86
89
>92
B
33
41
54
62
-
30T
53
58
>61
LATONES
(aleaciones Cu-Zn)
Latones α
Trab. Mec en Caliente
Trab. Mec. en Frío (acritud)
En gral Zn<36%
Latones α + β
Trab. Mec en Caliente
Bonificables
En gral 37.5% < Zn < 40%
Latones
α,
cúbica de caras centrada
cub de cuerpo
centrado
(desordenado)
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 “7030” (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.
Latones
Mayor %Zn
Mayor RESISTENCIA
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.
BCC des
α, FCC
 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.
BCC ord
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.
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.
Latón α
500X. De la figura se deduce la siguiente historia termomecánica:
1) Colado.
2) Trabajado en frío.
3) 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.
4) Trabajado en frío (leve). Por la curvatura en las líneas de macla de recocido.
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.
Latón α + β (Cu-40%Zn)
(Metal Muntz)
500X. Templado desde 825ºC.
BRONCES
(aleaciones Cu-Sn)
Bronces α
Trab. Mec en Caliente
Trab. Mec. en Frío (acritud)
Aleaciones forjadas
Bronces de estructura compleja
Trab. Mec en Caliente
Bonificables
Aleaciones coladas
Bronces
Diagrama de equilibrio
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.
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.
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.
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.
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
δ
δ
200X.
α
500X.
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.
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.
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).
CUPRONIQUELES
(aleaciones Cu-Ni)
Fase α
Cuproníqueles
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:1.9 +1/+2
Ni: Ra = 0.125nm EN: 1.8 +2
La adición de Ni al Cu aumenta su dureza, resistencia a la tracción,
resistencia a la corrosión y disminuye el alargamiento.
Aleación C72500 (Cu, 10% Ni, 2% Sn)
Unidad de escala: 25Micrones
CUPROALUMINIOS
(aleaciones Cu-Al)
Cuproaluminios α
Trab. Mec. en Caliente
Trab. Mec. en Frío (acritud)
Aleaciones forjadas
En gral Al<8%
Cuproaluminios de estructura
compleja
Trab. Mec. en Caliente
Bonificables
Aleaciones coladas
En gral 9% < Al <12%
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:
1) Elevado punto de fusión de las aleaciones Cu-Al.
2) Estrecho intervalo de solidificación (segregación).
3) Variación de los límites de solubilidad α y α + β al
disminuir la temperatura.
4) Transformación eutectoide β  α + γ2 a 565ºC
Cada uno de estos factores influyen de una etapa
a otra en el proceso de fabricación.
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.
Ejemplo: Aleación Cu-11.8%Al (composición eutectoide):
Enfriamiento isotérmico entre 565-420ºC o enfriamiento contínuo <1ºC/min:
Se produce la transformación eutectoide en un agregado perlítico α + γ2.
 Enfriamiento rápido. Reacción de ordenamiento
@500ºC 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
@500ºC
Transformación
Eutectoide
Si el enfriamiento es rápido:
Β(des)  β1(ord)
@500ºC
Al>13%: β1  γ’
Al<13%: β1  β’
Transformaciones
Martensíticas
β1 y γ’ son estructuras hexagonales compactas. Difieren
en el aspecto radiográfico y en el aspecto micrográfico.
Estructura de Enfriamiento Lento
Cu – 10.5%Al. 2 horas @ 860ºC + 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
Estructura de Enfriamiento Rápido
Cu – 10.5%Al. 30 min @ 860ºC + enfriamiento al agua
100X
Estructura α + β’
5000X
Fase β’, martensita acicular
(microscopio electrónico)
Enfriamiento rápido: a una velocidad superior a la crítica, en función de
la composición de la aleación.
α + (α + γ2)
α + β’
Temple de 700ºC
De colada
α + (α + γ2)
Temple de 450ºC
α + β’
Temple de 850ºC
β’
α + β’
Temple de 750ºC
α + β’
Temple de 900ºC
α + β’
Estructuras de temple
crecientes para un
cuproaluminio con
10.5%Al.
(temples al agua)
Temple de 600ºC
Temple de 800ºC
Propiedades Mecánicas típicas del
Cobre y algunas Aleaciones de Cobre
Aleación
UNS
Composición
Cu no aleado (OFE)
C10100
99,99Cu
Latón dorado
C21000
5Zn
Bronce Comercial
C22000
10Zn
Latón Rojo
C23000
15Zn
Latón Bajo
C24000
20Zn
Latón de Cartuchería
C26000
30Zn
Latón Alto, Amarillo
C27000
35Zn
Metal Muntz
C28000
40Zn
Bronce fosforado
C50500
98,75Cu-1,25Sn-P
Bronce fosforado
C51000
95Cu-5Sn-P
Bronce fosforado
C52100
92Cu-8Sn-P
Bronce fosforado
C52400
90Cu-10Sn-P
Cuproniquel
C70600
88.7 Cu,1.3 Fe,10.0 Ni
Cuproniquel
C71000
79.0 Cu, 21.0 Ni
Cuproniquel
C71500
70.0 Cu, 30.0 Ni
Cuproaluminio
C61000
92.0 Cu, 8.0 Al
Cuproaluminio
C61400
91.0 Cu, 7.0 Al, 2.0 Fe
Cuproaluminio
C61500
90.0 Cu, 8.0 Al, 2.0 Ni
F, flat products; R, rod; W, wire; T, tube; P, pipe; S, shapes.
Formas
F, R, W, T, P, S
F, W
F, R, W, T
F, W, T, P
F, W
F, R, W, T
F, R, W
F, R, T
F, W
F, R, W, T
F, R, W
F, R, W
F, T
F, W, T
F, R, T
R, W
Estado
M20-H08
OS050-H08
OS050-H08
OS070-H08
OS070-H08
OS100-H08
OS070-H08
M30-H04
OS025-H08
O61-H08
OS050-H08
OS035-H08
OS025-H55
OS025-H10
OS035-H80
O60-H04
O60-H04
O60-H04
TS (Mpa)
221-455
234-441
255-621
269-724
290-862
303-896
317-882
358-510
275-517
317-710
379-772
455-841
303-413
337-655
372-585
358-448
524-613
482-861
E% (50mm)
55-1
45-4
45-3
4852-3
66-3
65-3
52-10
48-4
47-2
70-3
70-4
42-10
40-5
45-15
45-30
45-32
55-5
Aleación
UNS
Composición
Tipo de colada
Estado
99.95 Cu + Ag min, 0.05 other max
Cobre no aleado
M01
C80100
C, T, I, M, P, S
Latón 10Zn
M01
C83400
90 Cu, 10 Zn
C, S
Latón 40Zn
M01
C86400
59 Cu, 1 Pb, 40 Zn
C, D, M, P, S
Bronce 7Sn
M01
C90200
93 Cu, 7 Sn
C, S
Cuproaliminio 10Al
M01-TQ50
C95300
89 Cu, 1 Fe, 10 Al
C, T, M, P, S
Cuproniquel 30Ni
M01
C96400
69.1 Cu, 30 Ni, 0.9Fe
C, T, S
C, centrifugal; T, continuous; D, die; I, investment; M, permanent mold; P, plaster; S, sand.
Mpa
172
241
413
262
448-586
468
E%
40
30
15
30
20-15
28
F, R, W, T, P, S
F
Aleaciones con Memoria de Forma
Efecto de
memoria de
forma
Superelasticidad
o
pseudoelasticidad
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.
• 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.
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.
Efecto de memoria de forma
Transformación martensítica
termoelástica
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.
Efecto de memoria de forma
y superelasticidad