Skip to content
  You are here:What's new?
Copper and Copper Alloys

{tab=Generalidades y Aplicaciones}El cobre es un metal de transición rojizo, que presenta una conductividad eléctrica y térmica muy alta, sólo superada por la plata en conductividad térmica y el oro en conductividad eléctrica. La mayor parte del cobre del mundo se obtiene de los sulfuros minerales como la calcocita, covelita, calcopirita, bornita y enargita. Los minerales oxidados son la cuprita, tenorita, malaquita, azurita, crisocola y brocantita. El grado del mineral empleado en la producción de cobre ha ido disminuyendo regularmente, conforme se han agotado los minerales más ricos y ha crecido la demanda de cobre. Hay grandes cantidades de cobre en la Tierra para uso futuro si se utilizan los minerales de los grados más bajos, y no hay probabilidad de que se agoten durante un largo periodo.

Expuesto al aire, el color rojo salmón inicial se torna rojo violeta por la formación de óxido cuproso (Cu2O) para ennegrecerse posteriormente por la formación de óxido cúprico (CuO). Expuesto durante mucho tiempo al aire húmedo forma una caрa adherente e impermeable de carbonato básico de color verde, característico de sus sales, denominada «cardenillo» («рátina» en el caso del bronce) que es venenoso.

Entre sus propiedades mecánicas destacan su excepcional capacidad de deformación y ductilidad. En general sus propiedades mejoran con las bajas temperaturas lo que permite utilizarlo en aplicaciones criogénicas. En la tabla se muestran algunas de las propiedades de este metal:

PROPIEDADES DEL COBRE

Densidad

8800-8940 kg/m3

Punto de fusión

1082 °C

Punto de ebullición

2595 ºC

Resistencia a la tracción

172-220 MPa

 

 

 

Efecto de las impurezas y los elementos residuales

Existe una serie de elementos que añadidos al cobre puro ejercen, en general, un efecto nocivo sobre las propiedades del cobre. Los efectos de estas impurezas se pueden agrupar en tres categorías según afecten a la conductividad eléctrica, a las propiedades mecánicas o a las características estructurales:

  • La conductividad eléctrica del cobre se ve afectada por una gran parte de los metales puros. Así, plata, plomo, cinc y cadmio incrementan la resistividad disminuyendo ligeramente la conductividad, mientras que el fósforo tiene un efecto más intenso.
  • En la resistencia a la tracción no existe una gran diferencia entre los cobres de gran pureza y los comerciales que contienen impurezas. Aunque las impurezas aumentan la dureza y la resistencia del cobre comercial, este aumento es poco significativo en el cobre puro.
  • La temperatura de recristalización no tiene un valor definido, pues depende del nivel de acritud que alcanza la aleación durante el proceso de fabricación.

Sin embargo, con el fin de mejorar las propiedades mecánicas del cobre, tales como, resistencia mecánica baja, mala resistencia al desgaste y mal mecanizado, se le añade al cobre elementos de aleación como el Zn (latones), Sn (bronces), Al, Ni, Be, Si, Pb, Sb y Mn.

Efecto de los elementos de aleación e impurezas 

- Efecto de las impurezas: Como ya se ha comentado, las cantidades residuales de impurezas ejercen un efecto nocivo sobre las propiedades de las aleaciones de cobre. Así, los elementos más perjudiciales son el bismuto y el antimonio que provocan fragilidad intergranular al ser elementos poco solubles y con tendencia a segregar.

- Efecto de los elementos de aleación: En la tabla se resumen los efectos de los algunos de los elementos de aleación:

ELEMENTO

EFECTO

Hierro

Aumente la resistencia mecánica

Aluminio

Aumenta la resistencia mecánica

Aumenta la resistencia a la corrosión

Aumenta la resistencia al desgaste

Aumenta la dureza

Disminuye la ductilidad

Manganeso

Aumenta la resistencia a la tracción

Aumenta la durezaInhibe 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

Fósforo

Aumenta la resistencia a la tracciónAumenta el límite de fatigaDisminuye la conductividad

La utilidad del cobre se debe a la combinación de sus propiedades químicas, físicas y mecánicas, con sus propiedades eléctricas y su abundancia. Tiene diversas aplicaciones, sin embargo los usos más frecuentes son en los sectores de la construcción (tuberías de cobre para agua y gas) que representa el 40% del destino de la producción y el sector eléctrico (cables) que representa el 27%. Otros usos se encuentran en el sector de las telecomunicaciones (cables telefónicos y redes), transporte y aleaciones con otros metales.

Se tiende al uso del cobre en los circuitos integrados en sustitución del aluminio de menor calidad. También se usa en la acuñación de moneda (aleado con níquel), arte, construcción de campanas y otros usos ornamentales en aleaciones con cinc (latón), estaño (bronces) y plata (en joyería). También se emplea en la fabricación de lentes de cristal de cobre para la detección de pequeños tumores por técnicas radiológicas.
{tab=Clasificación}Cobre puro

Existen varios grados de cobre comercialmente puro debido a que a la alta conductividad eléctrica, se le suman otras necesidades para su uso en la industria. Estas diferentes calidades de cobre se diferencian en su grado de pureza, referido al contenido oxígeno y fósforo, según su proceso de obtención:

- Cobres “tough-pitch”: Se caracterizan por tener un nivel bajo de impurezas y por unas propiedades mecánicas uniformes.

  • Cobre electrolítico tenaz (Cu-ETP).
  • Cobre térmico tenaz de alta conductividad (Cu-FRHC).
  • Cobre térmico tenaz (Cu-FRTP)

- Cobres exentos de oxígeno (Cu-OF): Se obtienen por fusión y colada del cobre electrolítico en atmósfera protectora de gas y se caracterizan por presentar una alta conductividad.

- Cobre desoxidado con fósforo: Contienen entre un 0,004% y un 0,065% de fósforo residual y su conductividad eléctrica disminuye en proporción al contenido de fósforo.

  • Cobre desoxidado con fósforo (bajo contenido en fósforo residual) (Cu-DLP).
  • Cobre desoxidado con fósforo (alto contenido de fósforo residual) (Cu-DHP).
  • Cobre desoxidado con fósforo, con arsénico (Cu-DPA).

Aleaciones de cobre 

Las aleaciones de cobre se pueden clasificar en:

1. Cobres débilmente aleados: Los cobres débilmente aleados son aquellos que poseen un contenido inferior al 1% de elementos de aleación. De este tipo de cobres destacan:

  • Cu-Cd: presentan una buena resistencia mecánica con una mínima reducción de la ductilidad.
  • Cu-Ag y Cu-Cr: presentan una muy buena combinación de ductilidad y resistencia mecánica por tratamiento térmico de solubilización y maduración.
  • Cu-S y Cu-Te: son aleaciones fáciles de mecanizar.
  • 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).

2. Aleaciones base cobre: Las principales aleaciones base cobre son:

  • Latones (Cu-Zn) : 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 adicción de cantidades relativamente pequeñas de otros elementos (estaño, plomo, manganeso, níquel, aluminio y silicio). Debe tenerse en cuenta que los latones con más del 50 % de cinc son muy frágiles, por lo que no se emplean industrialmente. Los latones se clasifican en función de la fase que predomine, es decir en función del contenido en cinc, en:

           - Latones alfa: Contienen hasta un 39% de cinc. Estos latones se emplean mucho cuando se necesita embutir, aunque por su tendencia a empañarse o deslustrarse al estar expuestos a la intemperie, conviene, en muchos casos, protegerlos con un recubrimiento. Estos latones se subdividen en dos grupos:

           a) Latones rojos: con un contenido en cinc de hasta el 20%. Se caracterizan por su color rojizo, resistencia a la corrosión, facilidad de trabajo y buen ajuste bajo presión. Se emplean mucho por su facilidad de moldeo y de trabajo, y por su economía.

           b) Latones amarillos: tienen entre un 20% y un 39% de cinc. Son los más dúctiles y por lo tanto muy utilizados en operaciones de fuerte trabajado en frío, dado que se pueden laminar y estirar indefinidamente a temperatura ambiente. Latones alfa + beta: empiezan a formarse con un 37,5% en Zn y terminan en un 45%. Se emplean en formas laminadas para la fabricación de tormillos, bulones, tuercas, piezas torneadas, etc.

          - Latones beta:  Comprenden de un 46% a un 50% de cinc. Son muy frágiles y casi no tienen aplicaciones industriales,  aunque se suelen emplear como material de aporte para soldadura, al tener su punto de fusión inferior al de los otros latones.

          - Latones al estaño: Son aleaciones Cu-Zn-Sn, con contenidos de Sn y Zn inferiores al 1% y 40% respectivamente.

          - Latones al plomo: Son aleaciones Cu-Zn-Pb que no suelen sobrepasar el 40% en Zn.

          - Alpacas:  Son aleaciones Cu-Zn-Ni, con un contenido en Ni que suele estar comprendido entre un 10 y un 30%, mientras que el cobre se mantiene próximo a un 54 o 64%, siendo el resto Zn.

          - Latones especiales:  Para ciertos usos se exige a los latones una serie de características que se consiguen con la adición de elementos de aleación tales como Al, Ni, Fe, Sn, Mn, Si, Pb, etc.

  • Bronces comunes: Los bronces son genéricamente aleaciones de Cu-Sn, a los cuales se les puede añadir elementos aleantes, que permiten obtener de los bronces unas propiedades específicas. Se clasifican en:

           - Bronces de estaño:  Es una aleación donde el elemento aleante es el estaño. En los bronces industriales el porcentaje de Sn varía de 2 a 22%, y su acción es similar a la del Zn, pero mucho más enérgica. 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. Estos 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 a corrosión, sobre todo marina.

           - 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: El Ni se añade en proporciones de hasta 1.5% y aparte de la mejora de propiedades y características tecnológicas, contribuyen a prevenir la segregación del plomo en los bronces moldeados de elevado contenido en Pb. o

  • Bronces especiales :

           - Cuproaluminios: Son aleaciones ricas en cobre con un contenido en aluminio que vería entre un 5% y un 11% pudiendo contener también hierro, níquel y manganeso. Aunque estas aleaciones presenten un coeficiente de contracción superior al de los bronces, poseen una resistencia mecánica más alta. Además, su resistencia a la corrosión es excelente, incluso a temperaturas intermedias y presentan un bello color, que los hace muy útiles en la imitación del oro en bisutería. El principal inconveniente de estas aleaciones es su dificultad en los procesos de fusión y moldeo por la tendencia del aluminio a oxidarse.

          - Cuprosilicios: Las aleaciones de interés industrial pueden contener hasta un 4% de Si, y destacan por:

  1. Buena maleabilidad.
  2. Trabajables en caliente.
  3. Buena colabilidad.
  4. Gran soldabilidad.

          - Cuproníqueles: Son aleaciones Cu-Ni de cuyas propiedades puede destacarse:

  1. Mantienen unas buenas propiedades mecánicas a mayores temperaturas.
  2. Presentan buena soldabilidad.
  3. Presentan una gran resistencia a la corrosión, incluso con temperaturas y velocidades de circulación de fluidos elevada.

          - Cuproberilios: Son aleaciones con un contenido en berilio de entre un 1,75% y un 2,25%, lo que le confiere las siguientes características:

  1. Características mecánicas muy elevadas si se realiza un tratamiento térmico de solubilización y maduración.
  2. Es amagnético y con propiedades antichispa.
  3. Su conductividad es un 20% la del cobre puro, pero si se mantiene bajo el contenido de Be y se añaden Co, puede aumentar hasta ser el 40%.

{tab=Procesos de Unión}Soldabilidad del cobre

En la soldabilidad del cobre influyen fundamentalmente su elevada conductividad térmica, alto coeficiente de dilatación y la transformación eutéctica (Cu/Cu2O).

  • Influencia de la conductividad térmica: La elevada conductividad térmica del cobre da lugar a elevadas pérdidas de flujo calorífico. Para compensarlas debe aportarse una gran cantidad de calor, lo que provoca unas zonas afectadas térmicamente (ZAT) de gran extensión. Esto es lo que obliga, a menudo, a precalentar las piezas a soldar para conseguir una fusión y penetración adecuadas.
  • Influencia del coeficiente de dilatación: El elevado coeficiente de dilatación del cobre unido a la importante cantidad de calor necesaria para la soldadura, puede dar lugar a la aparición de importantes deformaciones.
  • Influencia de la transformación eutéctica: Cuando un cobre se solidifica, el óxido de cobre que se encuentra distribuido al azar en la fase líquida se reagrupa formando un eutéctico en los bordes de grano, que hace que el metal sea frágil. Para regenerar esta estructura, es necesario realizar una serie de tratamientos mecánicos y térmicos de forma alternativa.

Soldadura del cobre y sus aleaciones 

El cobre y sus aleaciones se pueden soldar tanto por: procesos de soldadura por fusión, procesos de soldadura en estado sólido, soldadura fuerte (“brazing”) y blanda (“soldering”). 

  • Procesos de soldadura por fusión: Estos procesos de soldadura son los más versátiles, aunque dadas las características de alta conductividad térmica y alto coeficiente de dilatación del cobre y sus aleaciones, son también los que más problemas presentan. Por ello, a menudo es necesario precalentar las piezas a soldar. Dentro de este grupo de procesos, los que más se utilizan son el TIG y el MIG.
  • Soldadura fuerte (“brazing”): Este proceso presenta la ventaja, frente a los procesos de soldadura por fusión, de reducir las deformaciones. En el caso de los cobres que contienen oxígeno, evita la formación del eutéctico Cu-Cu2O. En algunas de las aleaciones debe tenerse en cuenta las siguientes precauciones:
  1. Soldadura fuerte de cobres: en cobres que contengan oxígeno residual debe tenerse especial cuidado con el hidrógeno presente en la atmósfera. Ello es debido a que se formaría vapor de agua en el interior de la soldadura, causando fragilidad.
  2. Soldadura fuerte de latones: deben evitarse atmósferas con contenidos amoniacales para evitar la corrosión bajo tensión.
  3. Soldadura fuerte de bronces:  en estos materiales es conveniente realizar un tratamiento previo de eliminación de tensiones, usar fijaciones que permitan un estado libre de tensiones, y ciclos de calentamiento lentos.
  4. Soldadura fuerte de cupro-aluminios: en este tipo de aleaciones es necesario utilizar un decapante adecuado que disuelva su capa superficial de óxido y permita, de esta forma, el flujo del metal de aportación.
  5. Soldadura fuerte de cupro-silicios: en el caso de que estén tensionados, es conveniente realizar un revenido a unos 250 ºC antes de su unión.
  6. Soldadura fuerte de cupro-níqueles: es conveniente utilizar metales de aportación de bajo punto de fusión y que además no contengan fósforo. Con ello disminuye la susceptibilidad al agrietamiento y a la formación de fosfuros de níquel, que fragilizan la unión.
  • Soldadura blanda (“soldering”):
  1. Soldadura blanda de latones: debe evitarse el antimonio, por su tendencia a combinarse con el cinc y fragilizar la interfase.
  2. Soldadura de cupro-silicios, cupro-berilios y cupro-aluminios: deben utilizarse decapantes muy activos para eliminar la capa superficial.
  • Soldadura por resistencia: En comparación con otro tipo de aleaciones, la soldadura por resistencia de las aleaciones de cobre requiere:
  1. Menor fuerza de aplicación de los electrodos.
  2. Menores tiempos de soldadura.
  3. Electrodos de mayor conductividad térmica y eléctrica con una composición química compatible con el material a soldar.


{/tabs}