EL COBRE Y SUS
ALEACIONES
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.
Gracias a su alta conductividad
eléctrica, ductilidad y maleabilidad, se ha convertido en el
material más utilizado para fabricar cables eléctricos y otros
componentes eléctricos y electrónicos.
El cobre forma parte de una cantidad muy elevada de
aleaciones que generalmente presentan mejores propiedades mecánicas, aunque
tienen una conductividad eléctrica menor. Las más importantes son conocidas con
el nombre de bronces y latones. Por otra parte, el cobre es un
metal duradero porque se puede reciclar un número casi ilimitado de
veces sin que pierda sus propiedades mecánicas.
El cobre es el tercer metal más utilizado en el mundo, por
detrás del hierro y el aluminio. La producción mundial de cobre
refinado se estimó en 15,8 Mt en el 2006, con un déficit de 10,7%
frente a la demanda mundial proyectada de 17,7 Mt. Los pórfidos
cupríferos constituyen la principal fuente de extracción de cobre en el mundo.
PROPIEDADES
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
u Densidad: 8800-8940 kg/m3
u Punto de fusión: 1082 °C
u Punto de ebullición: 2595 ºC
u Resistencia a la tracción: 172-220 MPa
PROPIEDADES
Tanto el cobre como sus aleaciones tienen una
buena maquinabilidad, es decir, son fáciles de mecanizar. El cobre
posee muy buena ductilidad y maleabilidad lo que permite
producir láminas e hilos muy delgados y finos. Es un metal blando, con un
índice de dureza 3 en la escala de Mohs (50 en la escala de
Vickers)
Admite procesos de fabricación de deformación
como laminación o forja, y procesos de soldadura y sus
aleaciones adquieren propiedades diferentes con tratamientos
térmicos como temple y recocido. En general, sus
propiedades mejoran con bajas temperaturas lo que permite utilizarlo en
aplicaciones criogénicas.
PROPIEDADES
El cobre posee varias propiedades físicas que propician su
uso industrial en múltiples aplicaciones, siendo el tercer metal, después del
hierro y del aluminio, más consumido en el mundo. Es de color rojizo
y de brillo metálico y, después de la plata, es el elemento con
mayor conductividad eléctrica y térmica. Es un material abundante en la
naturaleza; tiene un precio accesible y se recicla de forma
indefinida; forma aleaciones para mejorar las prestaciones mecánicas
y es resistente a la corrosión y oxidación.
La conductividad eléctrica del cobre puro fue
adoptada por la Comisión Electrotécnica
Internacional en 1913 como la referencia estándar para esta
magnitud. La conductividad del cobre recocido medida a 20 °C es igual
a 5,80 × 107 S/m. A este valor de conductividad
se le asigna un índice 100% IACS y la conductividad del resto de los materiales
se expresa en porcentaje de IACS. La mayoría de los metales tienen valores de
conductividad inferiores a 100% IACS pero existen excepciones como
la plata o los cobres especiales de muy alta conductividad designados
C-103 y C-110.
EFECTOS DE LOS
ELEMENTOS DE ALEACION 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 provoca fragilidad inter
granular 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:
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ELEMENTO
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EFECTO
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Hierro
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Aumente la resistencia mecánica
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Aluminio
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Aumenta la resistencia mecánica
Aumenta la resistencia a la corrosión
Aumenta la resistencia al desgaste
Aumenta la dureza
Disminuye la ductilidad
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Manganeso
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Aumenta la resistencia a la tracción
Aumenta la dureza
Inhibe el crecimiento de grano
Aumenta la cantidad de Fe que se puede disolver
Disminuye la ductilidad
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Cromo
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Aumenta las propiedades mecánicas
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Telurio
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Aumenta las propiedades mecánicas
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Berilio
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Aumenta la dureza
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Fósforo
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Aumenta la resistencia a la tracción
Aumenta el límite de fatiga
Disminuye la conductividad
|
- Cobres “tough-pitch”: Se caracterizan por
tener un nivel bajo de impurezas y por unas propiedades mecánicas uniformes.
u Cobre
electrolítico tenaz (Cu-ETP).
u Cobre
térmico tenaz de alta conductividad (Cu-FRHC).
u 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.
u Cobre
desoxidado con fósforo (bajo contenido en fósforo residual) (Cu-DLP).
u Cobre
desoxidado con fósforo (alto contenido de fósforo residual) (Cu-DHP).
u Cobre
desoxidado con fósforo, con arsénico (Cu-DPA).
APLICACIONES Y USO
DEL COBRE
u Cobre
metálico
El cobre se utiliza tanto con un gran nivel de pureza,
cercano al 100%, como aleado con otros elementos. El cobre puro se emplea
principalmente en la fabricación de cables eléctricos.
u Electricidad
y telecomunicaciones
El cobre es el metal no precioso con mejor conductividad
eléctrica. Esto, unido a su ductilidad y resistencia mecánica, lo han
convertido en el material más empleado para fabricar cables eléctricos,
tanto de uso industrial como residencial. Asimismo se emplean conductores de
cobre en numerosos equipos eléctricos
como generadores, motores y transformadores. La principal
alternativa al cobre en estas aplicaciones es el aluminio.
- u Medios de transporte
El cobre se emplea en varios componentes de coches y
camiones, principalmente los radiadores (gracias a su
alta conductividad térmica y resistencia a la
corrosión), frenos y cojinetes, además naturalmente de los
cables y motores eléctricos. Un coche pequeño contiene en total en torno a
20 kg de cobre, subiendo esta cifra a 45 kg para los de mayor tamaño.
También los trenes requieren grandes cantidades de
cobre en su construcción: 1 - 2 toneladas en los trenes tradicionales y hasta 4
toneladas en los de alta velocidad. Además
las catenarias contienen unas 10 toneladas de cobre por kilómetro en
las líneas de alta velocidad.
Por último, los cascos de los barcos incluyen a
menudo aleaciones de cobre y níquel para reducir el ensuciamiento producido por
los seres marinos.
u Otras
aplicaciones
El cobre participa en la materia prima de una gran cantidad
de diferentes y variados componentes de todo tipo de maquinaria, tales
como casquillos, cojinetes, embellecedores, etc. Forma parte de los elementos
de bisutería, bombillas y tubos
fluorescentes, calderería, electro-imanes, monedas, instrumentos
musicales de viento, microondas, sistemas de calefacción y aire
acondicionado. El cobre, el bronce y el latón son aptos para tratamientos
de galvanizado para cubrir otros metales.
PRODUCTOS
u Fundición
de piezas
El cobre puro no es muy adecuado para fundición por moldeo
porque produce galleo. Este fenómeno consiste en que
el oxígeno del aire se absorbe sobre el cobre a altas temperaturas y
forma burbujas; cuando después se enfría el metal, se libera el oxígeno de
las burbujas y quedan huecos microscópicos sobre la superficie de las piezas
fundidas
Sus aleaciones si permiten fabricar piezas por cualquiera de
los procesos de fundición de piezas que existen dependiendo del tipo
de pieza y de la cantidad que se tenga que producir. Los métodos más usuales de
fundición son por moldeo y por centrifugado.
u Forjado
El forjado en caliente de una pieza consiste en
insertar en un molde una barra de metal, calentarla a la temperatura adecuada y
obligarla a deformarse plásticamente hasta adoptar la forma del molde. La
ventaja de forjar en caliente es que se reduce la potencia mecánica que debe
suministrar la prensa para la deformación plástica.
u Mecanizado
Las piezas de cobre o de sus aleaciones que van a someterse
a trabajos de mecanizado por arranque de viruta tienen en su
composición química una pequeña aportación
de plomo y azufre que provoca una fractura mejor de
la viruta cortada.
El mecanizado de componentes de cobre, se realiza bajo el
concepto de mecanizado rápido en seco con la herramienta refrigerada por aire
si es necesario. Este tipo de mecanizado rápido se caracteriza por que los
cabezales de las máquinas giran a velocidades muy altas consiguiendo
grandes velocidades de corte en herramientas de poco
diámetro.
u Soldadura
Para soldar uniones de cobre o de sus aleaciones se utilizan
dos tipos de soldadura diferentes: soldadura blanda y soldadura
fuerte.
La soldadura blanda es aquella que se realiza a una
temperatura de unos 200 °C y se utiliza para la unión de los componentes
de circuitos impresos y electrónicos. Se utilizan soldadores de
estaño y el material de aporte es una aleación
de estaño y plomo en forma de alambre en rollo y que tiene
resina desoxidante en su alma. Es una soldadura poco resistente y sirve para
asegurar la continuidad de la corriente eléctrica a través del circuito.
El cobre se utiliza también como aglutinante en la soldadura
fuerte de fontanería, utilizada para conducciones de gas y canalizaciones
complejas de agua caliente. Un metal alternativo para esta aplicación es
la plata.
u Calderería
Se llama calderería a una especialidad profesional
de la rama de fabricación metálica que tiene como función principal la
construcción de depósitos aptos para el almacenaje y transporte de sólidos en
forma de granos o áridos, líquidos y gas así como todo tipo de construcción
naval y estructuras metálicas. Gracias a la excelente conductividad térmica que
tiene la chapa de cobre se utiliza para fabricar alambiques, calderas, serpentines,
cubiertas, etc.
u Embutición
Se denomina embutición al proceso de conformado en
frío por el que se transforma un disco o piezas recortada, según el material,
en piezas huecas, e incluso partiendo de piezas previamente embutidas, estirarlas
a una sección menor con mayor altura.
u Estampación
Se conoce con el nombre de estampación a la
operación mecánica que se realiza para grabar un dibujo o una leyenda en la
superficie plana de una pieza que generalmente es de chapa metálica.
Las chapas de cobre y sus aleaciones reúnen condiciones muy buenas para
realizar en ellas todo tipo de grabados.
u Troquelado
Se denomina troquelado a la operación mecánica que
se realiza para producir piezas de chapa metálica o donde sea necesario
realizar diversos agujeros en las mismas. Para realizar esta tarea, se utilizan
desde simples mecanismos de accionamiento manual hasta
sofisticadas prensas mecánicas de gran potencia.
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