METALES FERROSOS NO FERROSOS HIERRO FORJADO COBRE ACEROS

METALES FERROSOS NO FERROSOS • HIERRO FORJADO • COBRE • ACEROS • ALUMINIO • FUNDICIONES • MAGNESIO • ALEACIONES • TITANIO FERROSAS • METALES PRECIOSOS

BREVE RESEÑA HISTORICA El cobre fue el primer metal usado por el hombre v 10. 000 AC en Afganistán y Pakistán objetos de Cu martillado v 9. 500 AC en Irak, colgantes de Cu v 7. 200 AC en Turquía, objetos de Cu v 5. 000 AC en Turquía, Cu fundido v 3. 000 AC cerca del Mar Muerto, piezas de bronce al arsénico v 2. 500 AC Valle del Indo, bronce fundidos a la cera perdida v 2. 400 AC cerca del Mar Egeo, piezas de Au, Ag y Cu v 2. 000 AC en Norte América, piezas de Cu nativo v 1. 600 a 1. 100 en China, metalurgia del bronce v 6. 00 a 4. 00 AC en Perú, Au en láminas martillado

El cobre es conocido y utilizado por la industria humana desde la antigüedad, un poco a la par del oro y la plata. Todas las civilizaciones han utilizado el cobre o sus aleaciones a lo largo de su evolución. La razón es la existencia de cobre nativo en estado casi puro, la facilidad de extracción del metal gracias a su bajo calor de oxidación. Las aleaciones de cobre se han desarrollado al mismo tiempo que el metal: bronces al estaño cuproantimonios chinos latones mas o menos complejos

Desde el descubrimiento de la corriente eléctrica y el desarrollo industrial resultante del mismo, el cobre encuentra su verdadera y primordial aplicación: la de conductor. Actualmente, aleaciones de cobre que admiten tratamiento térmico han creado posibilidades industriales que no se logran mas que con ellas obteniendo un compromiso siempre difícil entre la conductibilidad eléctrica o térmica y la resistencia mecánica. Empleando composiciones especiales dentro de las aleaciones de cobre se ha mejorado el compromiso entre la conductibilidad térmica y la resistencia a la corrosión acuosa

OBTENCION DEL COBRE

LITOSFERA • Es la parte sólida de la corteza terrestre. Los elementos se encuentras combinados formando óxidos, sulfuros, silicatos, etc. • Son pocos los metales que se encuentran en estado nativo, ellos son: oro, plata, platino, cobre, mercurio, bismuto y estaño. • En general se encuentran en las menas (mineral o mezcla de minerales) en combinaciones químicas estables. Está formada por dos partes: el mineral (porción rica en metal o elemento) con composición química definida y por otro lado la ganga o desperdicio (silicatos, calizas). En las menas, el mineral y la ganga están íntimamente mezclados y deben se separados mediante procesos físico-químicos. • Una de las etapas fundamentales para obtener el metal libre es la reducción del metal (proceso inverso a la oxidación), en donde se reintegran los electrones que ha perdido al estar combinado con oxígeno, azufre u otro anión.

OBTENCION DEL COBRE • El cobre se obtiene a partir de minerales sulfurados (80%) y de minerales oxidados (20%), los primeros se tratan de pirometalurgia y los segundos de hidrometalurgia. • La metalurgia del cobre por vía seca es la mas utilizada, pero sólo se puede aplicar a minerales con una concentración superior al 10 % en cobre. • La vía húmeda se aplica a los minerales con una concentración del 3 al 10 %. Los minerales de contenido inferior al 3 % no se benefician hoy en día.

OBTENCION DEL COBRE Extracción a rajo abierto Extracción subterránea

TRITURACION El mineral transportado de la mina es reducido de tamaño mediante trituración en máquinas chancadoras en etapas sucesivas, como son etapa primaria, secundaria y terciaria al final de la cual el mineral ha sido reducido en su diámetro en aproximadamente media pulgada.

MOLIENDA HUMEDA Al metal triturado se le agrega agua y algunos reactivos, para luego ser cargados en molinos de barras o de bolas, conteniendo cerca de 200 ton de bolas de acero. El mineral tiene a la salida un diámetro promedio de 0, 2 mm. Este proceso se conoce con el nombre de molienda húmeda. La pulpa así producida pasa continuamente por un ciclón separador que retorna las partículas más gruesas al molino.

CONCENTRACION POR FLOTACION Concentración por flotación. La concentración de la pulpa se realiza en celdas de flotación. Insuflando aire y mediante agitación mecánica, sumado a la adición de reactivos, se captan las partículas ricas en cobre las cuales pasan a formar una espuma (mata) que se ubica en la parte superior de la celda, por donde sale y continúa a las etapas siguientes del proceso. El material pobre en cobre, llamado cola, decanta y sale por el fondo de la celda y es conducido a tanques de relave donde se deposita. El concentrado tiene 40% de Cu

SECADO DE LA PULPA • Los concentrados de cobre provenientes de la planta de flotación contienen mucha agua, la cual debe ser reducida. • El proceso se inicia en los decantadores. La pulpa espesa que sale del fondo del decantador se lleva a filtros que reducen la humedad de un 50% a un 16%, quedando un "queque" que se envía a fundición de concentrados. • Previamente a la fundición se baja la humedad hasta un 5 u 8% en un horno secador.

FUNDICION • El horno tiene un charco poco profundo de metal impuro y escoria y se calienta con una llama • Se carga el tostado, fundente y carbón en polvo • Se funde con rapidez y se separa la escoria liviana y la mata pesada • Esta se sangra periódicamente y la escoria se introduce nuevamente Horno de Reverbero

REFINADO Y PREPARACION DE TOCHOS • Primero se refina en un Convertidor donde insuflando aire se oxida el S y se obtiene Cu metálico impuro (Blister) • Luego se vuelve a refinar en un Horno de Reverbero y se obtiene Cu casi puro • Por último se refina por electrólisis • Se vuelve a fundir en forma de barras o losas

ESQUEMA DE LA OBTENCION DEL COBRE

GRADOS COMERCIALES DEL COBRE Dos procedimientos distintos conducen a los dos tipos fundamentales de cobre que se pueden obtener: El afino al fuego: elimina la mayor parte de las impurezas y especialmente aquellas que son perjudiciales para las propiedades mecánicas y para la transformación. El afino electrolítico: elimina impurezas que son perjudiciales a la conductibilidad eléctrica además de las precedentes.

GRADOS COMERCIALES DEL COBRE El llamado cobre de “selección optima” es una variedad refinada a fuego que contiene alrededor de 99. 75% de cobre y no conforma las normas de conductividad requeridas. El cobre de alta conductividad, generalmente conocido como “O. F. H. C. ” es de máxima pureza y contiene por lo menos 99. 9% de cobre. Se usa cuando se requieren las conductividades mas altas, eléctrica y térmica y es refinado electroliticamente

PROPIEDADES DEL COBRE • EXISTE EN FORMA NATIVA Y COMBINADO CON AZUFRE Y OXIGENO • SE OXIDA POCO (semi noble) • ALTA CONDUCTIVIDAD • PLASTICIDAD • MAQUINABILIDAD • NO MAGNETICO • PUEDE SER SOLDADO • BASE PARA LATONES Y BRONCES

PROPIEDADES MECÁNICAS • El cobre tiene una excelente capacidad de deformación que se traduce, en un gran alargamiento antes de la rotura en estado recocido ( y aun con una acritud parcial ) y un importante intervalo entre el límite elástico y la carga de rotura. • Tiene un alargamiento del 45 - 50 %. También tiene una estricción del 90 % (reducción de la sección), sin embargo mecánicamente es débil. • Es un material muy dúctil y maleable (cristaliza en red cúbica centrada en caras), pero adquiere gran acritud cuando se deforma en frío duplicando o más su resistencia mecánica y dureza (hasta Rt = 50 Kg / mm 2), aunque por el contrario pierden alargamiento, por lo que es necesario recocerlo. • Embote las limas y desprende con dificultad las virutas en el mecanizado.

PROPIEDADES QUÍMICAS • En general el cobre es bastante resistente a la corrosión, de ahí las aplicaciones tradicionales del cobre en la industria alimenticia. • El agua pura no ataca al cobre a ninguna temperatura, por ello se utiliza en la fabricación de calderas. • El cobre se recubre de una pátina no porosa de óxido que lo defiende; Pero la acción continuada de los agentes atmosféricos (aire, humedad, . . ) forman en su superficie una película verde grisáceo de sullfato de cobre, altamente tóxica. En las regiones marinas se forman cloruros de cobre y a veces carbonato que reducen el progreso de la oxidación de 0. 5 a 1 milésima de milímetro por año. De todas formas las condiciones de corrosión suelen ser tan complejas que no es posible afirmar concretamente como resistirá el cobre frente a determinados agentes. • El cobre resiste en general mal a las disoluciones amoniacales, ácido nítrico, cloruro férrico, sulfato férrico, sales de mercurio, azufre en fusión. . .

COBRE características Cu Ag Au Densidad a 20º C, g/cm³ 8. 9 10. 5 19. 3 Modulo de elasticidad kgf/mm² 12000 7500 8000 T de fusión, º C 1083 961 1064 T de ebullición, º C 2595 2530 2212 Resistividad eléctrica Ώ. cm. 10¯ 6 1. 7 1. 5 2. 1

IMPUREZAS EN EL COBRE • Bi y Pb, forman eutécticos de bajo punto de fusión, producen fragilidad al rojo • El S y el O forman eutécticos pero a alta temperatura, el O puede provocar problemas de fisuración por H

El Cu en bruto presenta pequeñas cantidades de O 2 Cu 2 O La presencia del Cu 2 O es con frecuencia ventajosa, ya que las impurezas dañinas tales como el Bi, forman óxidos asociados con los glóbulos de Cu 2 O en lugar de formar películas ínter cristalinas frágiles. Sin embargo para procesos como el de soldadura y fabricación de tubos la existencia de estos glóbulos es extremadamente dañina Cu 2 O + H 2 2 Cu + H 2 O El vapor de agua precipita en bordes de grano reduciendo la ductilidad hasta un 85% y la resistencia a la tension en un 40%

El cobre que se destina a soldadura o tratamiento térmico debe ser desoxidado antes de ser vaciado ( adición de P ) Para aplicaciones eléctricas debe usarse cobre electrolítico o cobre oxidado de buena calidad

ALEACIONES DE COBRE • LATONES: aleaciones de Cu y Zn - Latones -Latones + • BRONCES: hasta 12% del elemento de aleación - al estaño -al silicio -al aluminio -al berilio • CUPRONIQUELES: aleaciones de Cu y Ni • PLATA ALEMANA: aleación de Cu, Ni y Zn

LATONES Los latones comprenden las aleaciones útiles de Cu y Zn que contienen hasta 45% de Zn. Según vemos en el diagrama el Cu disolverá hasta 32. 5% de Zn a 902º C. A 450º C aumenta su proporción a 39%. Con ritmos de enfriamiento extremadamente lentos la solubilidad del Zn desciende nuevamente a 35. 2% a 250º C

LATONES A temperaturas inferiores a 454º C y con los ritmos de enfriamiento en la industria, la cantidad de Zn que puede permanecer en la solución sólida es de alrededor de 39%. Si el Zn aumenta mas de 39% entonces aparece β’, esta fase es dura y tenaz pero plástica cuando cambia su modificación a β de los 454º C

La fase ά es bastante blanda y dúctil a las temperaturas ambientes, por esta razón son excelentes para trabajar en frío. Son fáciles de deformar plásticamente y por eso se fabrican con ellos semiproductos laminados como chapas, cintas , perfiles, etc.

LATONES (hasta 36% Zn) • resistencia y ductilidad • ideal para trabajo en frío AMARILLOS 20 a 36% Zn • problemas de fisura intercristalinas • sensibles a la corrosión (dezincificación) • aplicaciones: panales de radiadores, tanques, ojos de cerraduras, remaches, etc. • mejor resistencia a la corrosión ROJOS 5 a 20% Zn • no son sensibles a fisuras ni dezincificación • aplicaciones: monedas, medallas, cartuchos, joyería, conductores eléctricos, placa para grabar nombres, etc

FISURAS INTERCRISTALINAS Se deben a altos esfuerzos residuales posteriores al trabajado en frío, los cuales provocan fisuras debidas a los efectos de los esfuerzos de corrosión. Se recomienda recocer la aleación o usar aleaciones menos susceptibles

DEZINCIFICACION Ocurre cuando el latón esta en contacto con el agua de mar o con aguas dulces. Se forma un Cu poroso y esponjoso lo que provoca fugas a través de esa capa porosa. Las soluciones son pequeñas cantidades de Sn o Sb

LATONES + (38 a 46% Zn) • La fase ´ es mas dura y frágil que • Son mas difícil de trabajar en frío • Calentándolo se obtiene una sola fase ( ) que tiene excelentes propiedades de trabajado en caliente • Es templable y tratable térmicamente • Aplicaciones: cubiertas de barcos, condensadores, decoración de arquitectura, etc

LATONES • Plasticidad máxima con 30% • Al pasar del 39% disminuye drásticamente • Máxima resistencia a 46%, con baja elasticidad

LATONES FUNDIDOS • Se utiliza como fundido • Contienen grandes cantidades de elementos de aleación • Sn, Pb, Fe, Mn, Ni, Al • Aplicaciones: Válvulas de bajas presiones, accesorios de tuberías, piezas para bombas

ALEACIONES DE COBRE • LATONES: aleaciones de Cu y Zn - Latones -Latones + • BRONCES: hasta 12% del elemento de aleación - al estaño -al silicio -al aluminio -al berilio • CUPRONIQUELES: aleaciones de Cu y Ni • PLATA ALEMANA: aleación de Cu, Ni y Zn

BRONCES: hasta 12% del elemento de aleación • Se aplicó el nombre originalmente a las aleaciones Cu-Sn • Bronces al estaño • Bronces al silicio • Bronces al aluminio • Bronces al berilio • Contienen además: P, Pb, Zn, P

BRONCES AL ESTAÑO Igual que en los latones la fase ά por ser una solución sólida es tenaz y dúctil. Sin embargo la fase δ es un compuesto ínter metálico y es una sustancia dura que hace a las aleación ά + δ bastante frágiles. Cuando el contenido Sn es superior al 14% se forma una cantidad considerable de la eutectoide ά + δ en forma análoga a la formación de perlita en el acero

BRONCES AL ESTAÑO El diagrama ha sido estudiado por muchos investigadores, pero debido a su gran complejidad (20 -50%) y a lo difícil que es conseguir el estado de equilibrio, el problema de las posiciones de las líneas de equilibrio y de la naturaleza de las fases aun no ha sido resuelto. Al interpretar las estructuras producidas comercialmente es conveniente referirnos al diagrama mas antiguo (el de lineas continuas) en el que la eutectoide ά + δ se muestra a temperatura ambiente

BRONCES AL ESTAÑO • Contienen: 1 A 11 % Sn y 0. 01 A 0. 5% P • Tienen: tenacidad, alta resistencia a la corrosión, bajo coeficiente de fricción • Aplicación: arandelas, bujes, etc • Se agrega Zn para mejorar la resistencia al desgaste • Se añade Pb para mejorar la maquinabilidad

BRONCES AL ESTAÑO La influencia del Sn en las propiedades mecánicas del cobre es análoga a la del Zn, pero mas enérgica, con un 5% de Sn la plasticidad disminuye. En el bronce fundido la existencia de inclusiones de eutectoide dura asegura una gran resistencia al desgaste, por lo que el bronce con un 10% de Sn es el mejor material antifricción

BRONCES AL SILICIO • Con menos de 5% de Si son monofásicas • Tiene propiedades mecánicas comparables con los aceros de medio carbono • Tiene resistencia a la corrosión comparable con el Cu • Aplicación: recipientes de presión, tanques, construcciones marinas

BRONCES FOSFORADOS Contienen entre 0. 1 y 1% de P. El fósforo aumenta la resistencia a la tensión y mejora la resistencia a la corrosión

BRONCES QUE CONTIENEN PLOMO Algunas veces se le agrega hasta 2% de Pb a los bronces y latones para mejorar su maquinabilidad. Permiten 20% mas de carga que los metales blancos a base de Pb o Sn. Tiene muy alta conductividad y se pueden usar a altas velocidades

BRONCES AL ALUMINIO Los bronces al Al unifasicos muestran buenas propiedades de trabajado en frío y gran resistencia, combinadas con gran resistencia a la corrosión. Los bronces al Al ά + ß se pueden tratar termicamente. §Capacidad para retener la resistencia a altas temperaturas. §Alta resistencia a la oxidacion. §Buenas propiedades de desgaste §Color agradable (utiles para decoracion)

BRONCES AL BERILIIO Contienen entre 1. 75 y 2. 5% de Be y hasta 0. 5% de Co. Es adecuado para herramientas que requieren propiedades que eviten la producción de chipas ( cinceles y hojas de sierras en trabajos de gas o minas peligrosas), puesto que es al mismo tiempo duro y tenaz. Al existir un cambio de solubilidad en el diagrama indica posibilidades de endurecimiento por envejecido.

CUPRONIQUELES (hasta 30% Ni) • El diagrama muestra solubilidad completa, por lo tanto todos son aleaciones monofásicas • Por lo tanto no son tratables térmicamente y sus propiedades pueden alterarse por trabajo en frío • Propiedades: alta resistencia a la corrosión y erosión en agua de mar • Aplicaciones: tubos de condensadores, intercambiadores en recipientes navales y plantas costeras

ALPACAS Son aleaciones de Cu, Ni y Zn. Son materiales dúctiles y con buena resistencia a la corrosión. Se utilizan como material quirúrgico y dental, joyería de fantasía, placas para grabar. . Pueden ser formadas en frío y generalmente se cubren con una placa de plata. La adición de un 2% de Pb las hace fáciles de grabar y se utilizan para la manufactura de llaves tipo Yale

OPERACIONES DE CONFORMACION DEFINITIVA El cobre no aleado o débilmente aleado y las aleaciones constituidas por una sola fase ά se pueden deformar parcialmente en estado blando, por embutición, plegado, conformado, etc. Con aleaciones bonificables en estado recién templado ocurre lo mismo, aunque en menor grado debido a su limite elástico un poco mas elevado. La capacidad de deformación es pequeña para aleaciones endurecidas por maduración artificial después del temple, siendo prácticamente nula para el estado de acritud completa

MECANIZADO Mecanizado relativamente difícil: A este dan lugar las aleaciones de fase única cuya elevada ductibilidad impide la fragilidad de la viruta y su fragmentación: cuproníqueles cobre en todos sus tipos cuproaluminios ( Al < 6% ) latones

MECANIZADO Maquinabilidad de tipo medio: En este grupo se encuentran aleaciones de estructura bifásica pero sin plomo. La presencia de la segunda fase facilita la rotura de la viruta y mejora la superficie mecanizada: cuproaluminio ( Al > 6% ) latones especiales sin plomo latones ά + ß sin Pb

MECANIZADO Buena maquinabilidad: En general a este grupo pertenecen las aleaciones que contienen plomo, los latones ά + ß con adiciones de Pb y los cobre-teluro y cobre-azufre. Los lubricantes utilizados en el mecanizado son: soluciones alcalinas aceites solubles aceites minerales de viscosidad débil

TRATAMIENTOS TÉRMICOS: Recocido de estabilización: Tiene por objeto eliminar tensiones producidas en el mecanizado, deformación en frío o en el moldeo de piezas complicadas , sin afectar sus características mecánicas. Se realiza a temperaturas de 150º C a 325º C , durante una o dos horas, enfriando después al aire.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS: Recocido contra la acritud: Tiene por objeto ablandar el cobre con acritud que ha sido endurecido por trabajos mecánicos en frío. Se realiza a T de 325 a 650º C , debiendo permanecer a la temperatura del recocido una hora o dos. Se recomienda no rebasar los 650º C , pues a partir de esta temperatura se empieza a agrandar el tamaño de grano , lo que puede hacer disminuir la ductilidad del material considerablemente.