Aleaciones de Cobre: Tipos y Aplicaciones

Bronce

Aleación de cobre y estaño. Se caracteriza por su resistencia a la corrosión y por ser mucho más duro y fuerte que los metales que lo componen por separado.

Latón

Aleación de cobre y zinc.

Cuproaluminio

Aleación de cobre y aluminio. Ofrece mayor resistencia a la corrosión, especialmente al agua de mar.

Cuproníquel

Aleación de cobre y níquel. También presenta alta resistencia a la corrosión. Se utiliza en la fabricación de monedas y contadores, entre otros.

Alpaca

Aleación de cobre, níquel, zinc y estaño. De color plateado y resistente a la corrosión, se utiliza comúnmente en joyería.

Aplicaciones Generales del Cobre

• Conductor eléctrico (principal aplicación).
• Instalaciones de fontanería.
• Plantas químicas (debido a su resistencia a la corrosión).

Aplicaciones del Estaño

• Recubrimiento del acero para formar hojalata.
• Componente del bronce (aleación con cobre).
• Metal de soldadura.
• Metal de imprenta.

Aplicaciones del Plomo

• Fabricación de baterías.
• Revestimiento de cables eléctricos.
• Tuberías sanitarias (en desuso por toxicidad).
• Blindaje contra radiaciones nucleares y rayos X.
• Metal de soldadura.
• Metal de imprenta.
• Metal de Babbitt (aleación antifricción).
• Aditivo en pinturas para prevenir la oxidación (en desuso por toxicidad).

Aplicaciones del Zinc

Además de su uso en el latón y el bronce de zinc, se destacan:

• Zamak: Aleación de zinc, aluminio, magnesio y cobre.
• Calaminas: (Similar al Zamak, pero con diferente composición).

Aproximadamente el 50% del zinc se utiliza en chapas para tejados y tubos. El resto se emplea como componente en diversas aleaciones.

Aleaciones de Aluminio

La adición de otros metales al aluminio modifica sus propiedades:

• Cobre: Aumenta la dureza, conserva la maquinabilidad y disminuye la resistencia a la corrosión. Se utiliza en estructuras de aviones.
• Zinc: Aumenta la dureza en frío y disminuye la resistencia a la corrosión. Mejora las características mecánicas.
• Magnesio: Proporciona buenas propiedades mecánicas y elevada resistencia a la corrosión.
• Manganeso: Aumenta la dureza y la resistencia a la corrosión y mecánica.
• Silicio: Aumenta la dureza y la resistencia a la corrosión. Los materiales resultantes son muy dúctiles y resistentes al choque.

Aplicaciones del Aluminio

• Industria aeronáutica, automovilística y ferroviaria.
• Conductor en líneas aéreas de alta tensión.
• Latas de bebidas.
• Papel de aluminio.
• Depósitos para ácidos.

Propiedades Químicas de los Materiales

Oxidación

Combinación de un material con el oxígeno, formando óxido que se deposita en la superficie. La velocidad de oxidación aumenta con la temperatura.

Corrosión

Oxidación que ocurre en ambientes húmedos o en presencia de sustancias corrosivas. El óxido se disuelve y se desprende del material.

Propiedades Físicas de los Materiales

Densidad

Relación entre la masa y el volumen.

Peso Específico

Relación entre el peso y el volumen.

Propiedades Eléctricas

Conductividad y Resistencia

Todas las sustancias conducen electricidad en mayor o menor medida, ofreciendo una resistencia al paso de la corriente. Los cables tienen baja resistencia, mientras que los calefactores tienen alta resistencia.

Rigidez Dieléctrica

Máxima tensión que puede soportar un aislante sin deformarse o quemarse.

Propiedades Térmicas

Dilatación

Aumento de volumen de los materiales con el calor, debido al aumento de las vibraciones de sus átomos.

Calor Específico

Cantidad de energía calorífica necesaria para elevar la temperatura de un material en 1 grado Celsius, sin que cambie de fase. Se mide en Julios (J).

Fusión

Cambio de estado sólido a líquido al aumentar la temperatura. El punto de fusión es la temperatura a la cual ocurre este cambio a presión normal. La fusión suele implicar un aumento de volumen.

Propiedades Mecánicas

Ensayo de Tracción

Prueba para determinar la resistencia de un material a esfuerzos de estiramiento. Se estira una probeta de forma constante y se obtiene la curva de tensión-alargamiento.

Tenacidad

Capacidad de un material para almacenar energía en forma de deformación plástica antes de romperse.

Propiedades de Fabricación

• Maleabilidad: Capacidad de un material para ser estirado en láminas.
• Ductilidad: Capacidad de un material para ser estirado en forma de hilos.
• Forjabilidad: Capacidad de un material para ser forjado.
• Maquinabilidad: Capacidad de un material para ser sometido a procesos de arranque de viruta.

Estructuras Cristalinas

Cristalino

Material constituido por átomos perfectamente ordenados en el espacio.

Amorfo

Material con ordenación espacial a corta distancia.

Defectos en la Red Cristalina

• Imperfecciones Puntuales: Átomos extraños, átomos faltantes (vacantes) o átomos del mismo metal fuera de su posición ideal.
• Lineales: Disminuyen la resistencia mecánica.
• Superficiales: La estructura está compuesta por múltiples zonas ordenadas (granos) con diferentes orientaciones de sus ejes.

Endurecimiento de Metales

Deformación en Frío

La deformación origina un endurecimiento, pero también fragilidad. Se suele aplicar un recocido posterior.

Por Afino de Grano

Cuanto menor sea el tamaño del grano, mayor será el límite elástico del material.

Tratamientos Térmicos

• Recocido: Calentamiento del metal durante cierto tiempo y enfriamiento lento. Aumenta la plasticidad.
• Temple: Calentamiento del metal seguido de un enfriamiento brusco. Produce un metal muy duro.
• Revenido: Se aplica a metales templados para mejorar su tenacidad, a costa de disminuir su dureza.

Tratamientos Termoquímicos

• Cementación: Adición de carbono a la superficie de un acero. Proporciona alta dureza.
• Nitruración: Endurecimiento por absorción de nitrógeno. Aumenta la resistencia a la corrosión.
• Cianuración: Endurecimiento superficial.
• Carbonitruración: Absorción de carbono y nitrógeno. Aumenta la dureza.
• Sulfinización: Inmersión del metal en un baño de azufre. Mayor resistencia al desgaste.

Tratamientos Mecánicos

• Forja en Frío: Deformación del metal a temperatura ambiente mediante golpes.
• Metalización: Proyección de un metal fundido sobre la superficie de otro.

Influencia de los Elementos de Aleación en el Acero

El acero es una aleación de hierro y carbono. La proporción de carbono influye en sus propiedades: a mayor contenido de carbono, mayor dureza y resistencia, pero menor ductilidad y mayor fragilidad.

Otros elementos y sus efectos:

• Azufre: Provoca gran fragilidad (efecto perjudicial).
• Cobalto: Aumenta la dureza del acero en caliente y la resistencia a la corrosión, oxidación y desgaste.
• Cromo: Aumenta la dureza, la resistencia a la corrosión y la tenacidad. Esencial en aceros inoxidables.
• Manganeso: Aumenta la dureza del acero templado.
• Molibdeno: Muy eficaz para incrementar la dureza.
• Níquel: Similar al cromo en sus efectos.
• Plomo: Favorece el mecanizado del acero.
• Silicio: Aumenta la elasticidad.
• Vanadio: Aumenta la resistencia a la fatiga y la elasticidad.
• Wolframio (Tungsteno): Confiere gran dureza. Se utiliza en aceros rápidos.

Fórmulas

• Resistividad: R = R₀ (1 + αΔT)
• Dilatación Lineal: L = L₀ (1 + αΔT)
• Dilatación Superficial: S = S₀ (1 + βΔT) (β ≈ 2α)
• Dilatación Volumétrica: V = V₀ (1 + γΔT) (γ ≈ 3α)
• Calor Específico: Q = m · C · (ΔT) = m · C · (T₁ – T₂)
• Densidad: D = M/V ; M = V · D
• Tensión: σ = F / S (F en Kg, S en área)
• Intensidad: I = V / R (Voltaje / Resistencia en ohmios)

Donde:

• R: Resistencia a una temperatura dada.
• R₀: Resistencia inicial.
• α: Coeficiente de temperatura de la resistencia.
• ΔT: Cambio de temperatura (T_final – T_inicial).
• L: Longitud final.
• L₀: Longitud inicial.
• S: Superficie final
• So: Superficie inicial
• V: Volumen final
• V₀: Volumen inicial.
• β: Coeficiente de dilatación superficial.
• γ: Coeficiente de dilatación volumétrica.
• Q: Calor.
• m: Masa.
• C: Calor específico.
• D: Densidad.
• M: Masa.
• V: Volumen.
• σ: Tensión.
• F: Fuerza.
• S: Superficie/Área.
• I: Intensidad de corriente.
• V: Voltaje.
• R: Resistencia.