Las aleaciones de cobre son aleaciones a base de cobre, en las que los principales elementos de aleación son Zn, Sn, Si, Al, Ni. Las aleaciones a base de Cu constituyen principalmente soluciones sólidas de sustitución, para las cuales los átomos de soluto o impureza reemplazan o sustituyen a los átomos del huésped. Varias características de los átomos del soluto y del solvente determinan el grado en que el primero se disuelve en el segundo. Estos se expresan como las reglas de Hume-Rothery. Hay hasta 400 composiciones diferentes de cobre y aleaciones de cobre agrupados libremente en las categorías: cobre, aleación con alto contenido de cobre, latón, bronces, níquel de cobre, cobre-níquel-zinc (níquel-plata), cobre con plomo y aleaciones especiales. Además, se puede reforzar un número limitado de aleaciones de cobre mediante tratamiento térmico. en consecuencia, se debe utilizar el trabajo en frío y / o la aleación en solución sólida para mejorar estas propiedades mecánicas.
Las aleaciones a base de cobre tienen una excelente conductividad térmica. El cobre tiene una clasificación de conductividad térmica un 60% más alta que el aluminio, por lo que es más capaz de reducir los puntos calientes térmicos en los sistemas de cableado eléctrico. Las conductividades eléctricas y térmicas de los metales se originan por el hecho de que sus electrones externos están deslocalizados.
Tipos de aleaciones de cobre
Como se escribió, hay hasta 400 diferentes composiciones de cobre y aleaciones de cobre agrupadas libremente en las categorías: cobre, aleación con alto contenido de cobre, latón, bronces, níquel-cobre, cobre-níquel-zinc (níquel plata), cobre con plomo y especial aleaciones. En los siguientes puntos, resumimos las propiedades clave de materiales seleccionados a base de cobre.
Cobre de brea tenaz electrolítica (ETP). El cobre electrolítico de brea tenaz, UNS C11000, es cobre puro (con un máximo de 0,0355% de impurezas) refinado mediante un proceso de refinado electrolítico y es el grado de cobre más utilizado en todo el mundo. ETP tiene una clasificación de conductividad mínima de 100% IACS y se requiere que sea 99,9% puro. Tiene de 0,02% a 0,04% de oxígeno contenido (típico). El cableado eléctrico es el mercado más importante para la industria del cobre. Esto incluye cableado de energía estructural, cable de distribución de energía, alambre para electrodomésticos, cable de comunicaciones, alambre y cable automotriz y alambre magnético. Aproximadamente la mitad de todo el cobre extraído se utiliza para conductores de cables y alambres eléctricos. El cobre puro tiene la mejor conductividad eléctrica y térmica de cualquier metal comercial. La conductividad del cobre es el 97% de la de la plata. Debido a su costo mucho menor y mayor abundancia, el cobre ha sido tradicionalmente el material estándar utilizado para aplicaciones de transmisión de electricidad.- Latón. Latón es el término genérico para una gama de aleaciones de cobre y zinc. El latón se puede alear con zinc en diferentes proporciones, lo que da como resultado un material de diferentes propiedades mecánicas, térmicas y de corrosión. Cantidades mayores de zinc proporcionan al material una resistencia y ductilidad mejoradas. Los latón con un contenido de cobre superior al 63% son los más dúctiles de cualquier aleación de cobre y se moldean mediante complejas operaciones de conformado en frío. El latón tiene una mayor maleabilidad que el bronce o el zinc. El punto de fusión relativamente bajo del latón y su fluidez lo convierten en un material relativamente fácil de fundir. El color de la superficie del latón puede variar de rojo a amarillo según el contenido de zinc. Algunos de los usos comunes de las aleaciones de latón incluyen bisutería, cerraduras, bisagras, engranajes, cojinetes, acoplamientos de mangueras, carcasas de municiones, radiadores de automóviles, instrumentos musicales, envases electrónicos y monedas.
- Bronce. Los bronces son una familia de aleaciones a base de cobre tradicionalmente aleadas con estaño, pero pueden referirse a aleaciones de cobre y otros elementos (por ejemplo, aluminio, silicio y níquel). Los bronces son algo más fuertes que los latones, pero aún tienen un alto grado de resistencia a la corrosión. Generalmente se utilizan cuando, además de la resistencia a la corrosión, se requieren buenas propiedades de tracción. Por ejemplo, el cobre berilio alcanza la mayor resistencia (hasta 1400 MPa) de cualquier aleación a base de cobre.
- Aleación de cobre-níquel. Los cuproníquel son aleaciones de cobre-níquel que contienen típicamente de 60 a 90 por ciento de cobre y níquel como principal elemento de aleación. Las dos aleaciones principales son 90/10 y 70/30. También pueden contener otros elementos de refuerzo, como manganeso y hierro. Los cuproníquel tienen una excelente resistencia a la corrosión provocada por el agua de mar. A pesar de su alto contenido de cobre, el cuproníquel es de color plateado. La adición de níquel al cobre también mejora la fuerza y la resistencia a la corrosión, pero se conserva una buena ductilidad.
- Alpaca. La plata de níquel, también conocida como plata alemana, latón de níquel o alpaca, es una aleación de cobre con níquel y, a menudo, zinc. Por ejemplo, la aleación de cobre de níquel plata 65-12 UNS C75700 tiene buena resistencia a la corrosión y al deslustre, y alta conformabilidad. La alpaca recibe su nombre por su apariencia plateada, pero no contiene plata elemental a menos que esté chapada.
Propiedades térmicas de las aleaciones de cobre
Las propiedades térmicas de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente.
La capacidad calorífica, la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.
Punto de fusión de las aleaciones de cobre
El punto de fusión del cobre de brea tenaz electrolítica (ETP) es de alrededor de 1085°C.
El punto de fusión del latón de cartucho – UNS C26000 es de alrededor de 950°C.
El punto de fusión del bronce de aluminio – UNS C95400 es de alrededor de 1030°C.
El punto de fusión del bronce de estaño (UNS C90500) es de alrededor de 1000°C.
El punto de fusión del berilio de cobre – UNS C17200 es de alrededor de 866°C.
El punto de fusión del cuproníquel – UNS C70600 es de alrededor de 1100°C.
Punto de fusión de la plata de níquel – UNS C75700 es de alrededor de 1040°C.
En general, la fusión es un cambio de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El punto de fusión también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio.
Conductividad térmica de las aleaciones de cobre
La conductividad térmica del cobre de brea tenaz electrolítica (ETP) es 394 W/(mK).
La conductividad térmica del latón de cartucho – UNS C26000 es de 120 W/(mK).
La conductividad térmica del bronce de aluminio – UNS C95400 es 59 W/(mK).
La conductividad térmica del bronce de estaño, UNS C90500, es de 75 W/(mK).
La conductividad térmica del cobre berilio – UNS C17200 es 115 W/(mK).
La conductividad térmica del cuproníquel – UNS C70600 es de 40 W/(mK).
La conductividad térmica de la plata de níquel – UNS C75700 es 40 W/(mK).
Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada conductividad térmica, k (o λ), medida en W/mK. Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por conducción. Tenga en cuenta que la ley de Fourier se aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.
La conductividad térmica de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:
La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir k = k (T). Se asocian definiciones similares con las conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.
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