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• Maria Cuya

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El cobre y sus diagramas de fases Introducción: Es uno de los metales más conocidos existentes en la naturaleza y es al que mayor uso le ha dado el hombre a lo largo de la historia.se encuentra en un sinnúmero de aplicaciones de uso cotidiano y también en artefactos de alta tecnología.

Características del cobre El cobre es un material muy apreciado por algunas de sus propiedades, que permiten su uso en diversos sectores, tanto en el campo industrial como en el campo de las comunicaciones.  

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El cobre es estético, dúctil y maleable. Ha sido utilizado para el arte, la escultura y la fabricación de armas desde el 400 a.c. blando. El cobre tiene propiedades bactericidas: El cobre tiene una gran resistencia antimicrobiana. Ya en tiempos de los romanos se utilizaba para conductos de agua y utilizaban utensilios de cobre para cocinar. Conductividad térmica del cobre: el cobre es un excelente conductor del calor. Por ello es ampliamente utilizado en calefacción y algunos utensilios de cocina. El cobre puede alearse con otros metales para adecuar sus características al uso requerido. El cobre es un gran conductor eléctrico: Gran parte de los materiales eléctricos están hechos de cobre y por su capacidad en las transmisiones de y datos. Resistencia ante la corrosión del cobre que lo hace susceptible de ser utilizado en muchos campos.

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Aleaciones y tipos de cobre

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Desde el punto de vista físico, el cobre puro posee muy bajo límite elástico (33 MPa) y una dureza escasa (3 en la escala de Mohs o 50 en la escala de Vickers). En cambio, unido en aleación con otros elementos adquiere características mecánicas muy superiores, aunque disminuye su conductividad. Existe una amplia variedad de aleaciones de cobre, de cuyas composiciones dependen las características técnicas que se obtienen, por lo que se utilizan en multitud de objetos con aplicaciones técnicas muy diversas. El cobre se alea principalmente con los siguientes

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elementos: Zn, Sn, Al, Ni, Be, Si, Cd, Cr y otros en menor cuantía * Latón (Cu-Zn) El latón, también conocido como cuzin, es una aleación de cobre, cinc (Zn) y, en menor proporción, otros metales. Se obtiene mediante la fundición de sus componentes en un crisol o mediante la fundición y reducción de menas sulfurosas en un horno de reverbero o de cubilote. En los latones industriales, el porcentaje de Zn se mantiene siempre inferior a 50 %. Su composición influye en las características mecánicas, la fusibilidad y la capacidad de conformación por fundición, forja y mecanizado. En frío, los lingotes obtenidos se deforman plásticamente produciendo láminas, varillas o se cortan en tiras susceptibles de estirarse para fabricar alambres. Su densidad depende de su composición y generalmente ronda entre 8,4 g/cm³ y 8,7 g/cm³.

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Bronce (Cu-Sn) Las aleaciones en cuya composición predominan el cobre y el estaño (Sn) se conocen con el nombre de bronce y son conocidas desde la antigüedad. Hay muchos tipos de bronces que contienen además otros elementos como aluminio, berilio, cromo o silicio. El porcentaje de estaño en estas aleaciones está comprendido entre el 2 y el 22 %. Son de color amarillento y las piezas fundidas de bronce son de mejor calidad que las de latón, pero son más difíciles de mecanizar y más caras. *

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*Alpaca (Cu-Ni-Zn) Las alpacas o platas alemanas son aleaciones de cobre, níquel (Ni) y zinc (Zn), en una proporción de 50-70 % de cobre, 13-25 % de níquel, y 13-25 % de zinc. Sus propiedades varían de forma continua en función de la proporción de estos elementos en su composición, pasando de máximos de dureza a mínimos de conductividad.

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Aleaciones de cobre y su diagrama de fases Las aleaciones base cobre son más pesadas que el hierro, y si bien la temperatura de fluencia es elevada, la relación resistencia-peso es típicamente inferior a la de las aleaciones de aluminio y magnesio. Las aleaciones tienen mayor resistencia a la fatiga, al termo fluencia y el desgaste abrasivo que las aleaciones ligeras, presentando una excelente ductilidad, resistencia a la corrosión, muy buena conductividad eléctrica y electrónica, y responden muy bien al endurecimiento por deformación. Cobre comercialmente puro. Los cobre que contienen menos del 1% de impurezas se utilizan en aplicaciones eléctricas por su elevada conductividad, debiendo tener especial cuidado en el contenido en oxígeno de los mismos, por lo que suelen utilizarse desoxidados con fósforo. Algunas aleaciones se endurecen por dispersión al adicionar pequeñas cantidades de

óxidos, fundamentalmente alúmina, lo cual mejora la dureza de la aleación sin disminuir significativamente la conductividad eléctrica. Cualquiera de estas aleaciones puede endurecerse por deformación, consiguiendo grandes aumentos de sus características mecánicas con disminuciones poco relevantes de sus prestaciones eléctricas. Aleaciones endurecidas por solución sólida. Un buen número de aleaciones base cobre contiene grandes cantidades de elementos de aleación en solución con el cobre, tal como aparece en los diferentes diagramas de equilibrio representados en las figuras siguientes. La aleaciones cobre-zinc o latones, figura 13.22a, con menos del 40% de Zn forman soluciones sólidas monofásicas de zinc en cobre, con las propiedades correspondientes a la estructura cristalina c.c.c. del cobre. Las propiedades mecánicas aumentan conforme se eleva el contenido en Zn, sin disminución apreciable del alargamiento o ductilidad. En el rango de composiciones entre el 35 y 40% de Zn, la aleación forma una segunda fase  que sufre una transformación eutectoide al disminuir la temperatura. Es por esto último que el contenido de Zn se limite al 35% para obtener una estructura monofásica que puede ser conformada en frío y por lo tanto endurecida por deformación. La adición de manganeso a la aleación proporciona una elevada resistencia de forma que a esta aleación se denomina bronce al manganeso.

a)

b)

Figura 13.22. Diagramas de fases de aleaciones de cobre: a) Cu-Zn, b) Cu-Sn.

Los bronces al estaño pueden contener más de un 10% de Sn y seguir siendo monofásicos. El diagrama de fases, figura 13.22b, determina que la aleación contendrá el compuesto Cu3Sn (). Sin embargo, la cinética de la reacción es tan lenta que el precipitado puede no formarse, sobre todo en las aleaciones con contenidos inferiores al 5% de Sn. Estas aleaciones, a las que se añaden otros elementos de aleación como el Pb, para elevar su maquinabilidad, o el zinc, para elevar su resistencia mecánica, se utilizan de manera fundamental como aleaciones para fundición, recogiéndose en la tabla 13.7 algunas propiedades de las aleaciones más importante.

Aleaciones endurecibles por envejecimiento. Son varias las aleaciones que endurecen notablemente por precipitación, tales como las

aleaciones con berilio y circonio. Las aleaciones Cu-Be, Cuyo diagrama de equilibrio se representa en la figura 13.23a, se utilizan, debido a su elevada resistencia mecánica y alta rigidez, como muelles, engranajes y como elementos anti centellantes. Estas aleaciones se producen de forma que contengan entre un 0.6 y un 2% de Be con adiciones de Co entre el 0.2 y el 2.5% de manera que produzcan precipitados del tipo BeCo que endurecen grandemente la matriz. La combinación de los tratamientos de envejecimiento o precipitación con procesos de deformación en frío hacen que las cargas de roturas alcancen valores cercanos a los 1500 MPa, que constituye la resistencia más elevada de las aleaciones comerciales de cobre.

a) b) Figura 13.23. Diagrama de equilibrio de: a) Cu-Be, y b) Cu-Al.

Transformaciones de fase. Los bronces al aluminio que contienen más de un 9% de Al pueden formar fase  cuando superan la temperatura de 565°C, temperatura de transformación eutectoide, figura 13.23b. En su enfriamiento, la reacción eutectoide produce una estructura laminar, o perlita, que contiene un compuesto frágil 2. Por lo general es difícil que tenga lugar la reacción peritectoide de baja temperatura,  + 2  . Con ello, el producto eutectoide resulta relativamente frágil. Sin embargo, la aleación puede calentarse de nuevo a unos 900°C y enfriarse rápidamente para producir la transformación martensítica, fase ', la cual posee una elevada resistencia aunque baja tenacidad. Cuando la martensita es revenida entre 400 y 650°C, se obtiene un buen compromiso entre resistencia y tenacidad, ya que empieza a formar fase a como una fina estructura de placas.

DIAGRAMA DE FASE DE LA ALEACION COBRE - NIQUEL. Un diagrama de fase es un gráfico en cuyo eje vertical se mide la temperatura y en el eje horizontal se mide el porcentaje en peso de los componentes que forman la aleación. A continuación se muestra el diagrama de fase de la aleación Cobre-Níquel.

El diagrama de fases permite obtener la siguiente información: 1. Las fases presentes en la aleación en función de la temperatura y la composición química. Suponga que una aleación cobre-níquel se encuentra a una temperatura de 1300º C. Suponga que la aleación está formada por 20% Ni y 80% Cu. En el diagrama se traza una línea horizontal a 1300ºC y luego una línea vertical en 20% Ni. El punto donde se cruzan estas dos líneas representa a la aleación. El nombre de la zona donde queda ubicado el punto nos da el nombre de la fase o fases 49 presentes. Para este ejemplo, la aleación se encuentra en fase líquida a esa temperatura y composición química.

2. La composición química de las fases presentes. Aquí se tienen dos casos: • Si la aleación posee una fase, la composición de la fase es igual a la composición de la aleación. • Si la aleación tiene dos fases, la composición de cada una de ellas se encuentra según se ilustra en el diagrama.

3. La cantidad de cada fase, en fracción o porcentaje, con respecto a la masa total de la aleación. Para ello se utiliza la regla de la palanca.

PORCENTAJE LIQUIDO =Distancia B/distancia total (A+B) X 100 PORCENTAJE SOLIDO=Distancia A/Distancia total(A+B) X 100

EJERCICIO DIAGRAMA DE FASES 1.-Con el diagrama de equilibrio Cu - Ni. Determinar para una aleación con el 40 % de Ni: *En el diagrama aparecen tres regiones o campos de fases. Un campo alfa (α), un campo líquido (L) y un campo bifásico (α + L). Cada región está definida por la fase o fases existentes en el intervalo de temperaturas y composiciones acotadas por los límites de fases. El líquido L es una disolución líquida homogénea compuesta de cobre y níquel. La fase α es una disolución sólida sustitucional que consiste de átomos de Cu y Ni, de estructura cúbica de caras centrada. A temperaturas inferiores a 1080°C, el Cu y el Ni son mutuamente solubles en estado sólido para todas las composiciones, razón por la cual el sistema se denomina isomorfo. El calentamiento del cobre puro corresponde al desplazamiento vertical hacia arriba en el eje izquierdo de temperaturas. El cobre permanecerá solido hasta que alcance su temperatura de fusión (1085°C), en donde ocurrirá la transformación de sólido a líquido. La temperatura no se incrementará hasta tanto no termine la fusión completa de todo el sólido. En una composición diferente a la de los componentes puros, la fusión ocurrirá en un intervalo de temperaturas

entre liquidus y solidus. Ambas fases (sólido y líquido) estarán en equilibrio dentro de este intervalo de temperaturas.

*Curva de enfriamiento, intervalo de solidificación, fases presentes en cada una de las regiones que atraviesa) *Relación de fases y pesos de las mismas a 1250° C para una aleación de 600 kg. Solución: a)

Por encima de 1280°C toda la aleación está en estado líquido (1 fase).Entre 1280° y 1200°C (intervalo de solidificación) coexisten las fases líquida y solución sólida (2 FASES) Por debajo de 1200°C toda la aleación ha solidificado en forma de solución sólida (1 fase).La curva de enfriamiento aparece representada junto al diagrama

APLICANDO LA REGLA DE LA PALANCA

mL + mS = 600KG

luego: mL = 300 Kg mS = 300 Kg