Resumen

2. Resumen Introducción Generalidades del cobre Metalurgia del Cobre Proceso Pirometalúrgico Proceso Hidrometalúrgico Clasificación del Cobre y Aleaciones de Cobre Cobre no aleado Latones Bronces Cuproníqueles Cuproaluminios Mención de aleaciones con Efecto de Memoria de Forma

3. Evolución de la Ingeniería en Materiales Edad de Piedra: 2500000 - 3000 a.C Edad de Cobre: 4000 – 3000 a.C Edad de Bronce: 3000 – 1500 a.C Edad de Hierro: 1500 a.C

4. NotaHistórica El cobre fue uno de los primeros metales utilizados por la cultura humana (junto con el oro). Se piensa que este metal fue descubierto alrededor del año 6000 a.C. En aquel tiempo, el cobre se encontraba en estado metálico (cobre nativo). Los pueblos antiguos confeccionaban utensilios y armas, martilleando este metal (forjado en frío). El cobre forjado era más duro (endurecimiento por deformación) y su atractivo color rojizo lo hicieron muy apreciado por las civilizaciones antiguas. Cerca del 4000 a.C. se descubrió que el cobre podía ser fundido y colado en una variedad de formas útiles. Posteriormente se descubrió que el cobre aleado con estaño podría ser fundido más fácilmente que el metal puro. Esto condujo al uso generalizado del bronce, que dio nombre a la Edad del Bronce. Para los antiguos romanos, la isla de Chipre era casi la única fuente de este metal, por lo cual le llamaron “aes cyprium” (metal de Chipre). Luego fue abreviado a “cyprium” y posteriormente a “cuprium”. De aquí deriva el símbolo químico del cobre Cu. El símbolo del cobre se representó con el mismo signo que Venus (la Afrodita griega) pues Chipre estaba consagrada a la diosa de la belleza y los espejos se fabricaban de este metal. El símbolo, espejo de Venus, modificación del Ankh egipcio, fue posteriormente adoptado para simbolizar el género femenino (♀). Ankh (símbolo egipcio de la vida eterna) Espejo de Venus

5. Generalidades del Cobre El cobre es el tercer metal más utilizado en el mundo, por detrás del hierro y el aluminio. Propiedades del Cobre Puro • Excelente Conductividad Eléctrica (precedido por Ag). • Excelente Conductividad Térmica. • Elevada Ductilidad y Maleabilidad. • Resistencia a la corrosión – Metal Seminoble  Pátina Verde. Propiedades del Cobre y de aleaciones de cobre • Muy buena soldabilidad. • Excelente resistencia a la corrosión. • Endurecimiento por def. plástica en frío y en caliente (Acritud). • Algunas son bonificables. • Relativam. baja Dureza. • Relativam. baja Resistencia Mecánica. • Elevada Ductilidad. • No magnético. • Reciclable. Aleaciones

6. Usosgenerales del Cu y aleaciones 1) Construcción de edificios 48%: cables eléctricos, fontanería y calefacción, aire acondicionado y refrigeración comercial, terminaciones y usos arquitectónicos. 2) Productos eléctricos y electrónicos 21%: Cables y equipos para la energía y servicios públicos de telecomunicaciones, equipos electrónicos y dispositivos de alumbrado y cableado. 3) Maquinaria y equipo industrial 10%: Equipos de planta, válvulas y accesorios, instrumentos no eléctricos e intercambiadores de calor. 4) Industria Automotriz y transporte en general 10%: Camiones, autos, autobuses, ferrocarril, barcos, vehículos aéreos y espaciales. 5) Productos de consumo y de uso general 11%: electrodomésticos, juegos de cables, pertrechos militares y municiones comerciales, electrónica de consumo, cierres y clausuras, monedas, utensilios y cubiertos, adornos y otros. 5 4 1 3 2 http://minerals.usgs.gov/ds/2005/140/copper.xls

7. Comparación de Precios

8. Estructuras del Cu y sus aleaciones • La celdilla fundamental de la red espacial de un grano cristalino de cobre es cúbica de caras centradas. Si se añade un segundo elemento de aleación, puede ocurrir: • Solución sólida α. Con pequeñas cantidades de soluto, se obtiene una sustitución desordenada en la red espacial del cobre, conservando la red espacial cúbica de caras centradas. (ejemplos: Zn, Sn, Al, Ni, Be, Si) • Estructura cúbica de cuerpo centrada, fase β (desordenado). Al incrementar la proporción del soluto, en algunos casos se forma una nueva esructura cristalina. • Estructura cúbica de cuerpo centrada, fase β’ (ordenado). Bajo ciertas condiciones de equilibrio ocurre una nueva ordenación de la red espacial. Por ejemplo, en latones β, cuando Nº átomos Cu ≈ Zn, uno de los los átomos ocupan los vértices de la celdilla findamental. • Insolubilidad. Algunos átomos no entran en solución sólida con el Cu, los cuales retienen su propia red cristalina. Permaneces distribuidos en la red cristalina del Cu. Ejemplos: Pb, Fe, Bi. Pueden ser beneficiosas perjudiciales. • Formación de compuestos químicos estables.Ejemplos: O, S, Se, Te. Se producen precipitados. En algunos casos son deseables, según cómo varía la solubilidad del precipitado con la temperatura y la forma y ubicación del precipitado. • Formación de estructuras martensíticas. En algunos casos, mediante un TT adecuado. Ejemplos: Latón: tetragonal de caras centrada, Cu-Sn  β’, Cu-Al  β’ (pseudohexagonal) y γ’ (hexagonal compacta).

9. Metalurgia del Cobre En la antigüedad, el cobre se encontraba disponible en la naturaleza como elemento libre (cobre nativo). Debido que actualmente las reservas de Cu nativo están agotadas, se extrae de sus minerales (sulfuros u óxidos), dando origen a dos tipos de procesos de extracción: Las minas de cobre más importantes se encuentran en EEUU, Cordillera de los Andes, África Central y Rusia. El mineral de cobre contiene, en general, entre 0.2 y 3% de Cu  Procesos de Extracción Pirometalúrgicos (minerales sulfurados)  Procesos de Extracción Hidrometalúrgico (minerales oxidados)

10. Mina de Chuquicamata

11. Metalurgia del Cobre Las menas se dividen en sulfuradas, oxidadas y mixtas. Las menas sulfuradas suelen ser de origen primario, mientras que las menas oxidadas se forman como resultado de la oxidación de los minerales sulfurados. En general, en las menas hay cantidades considerables de otros metales: Zn, Pb, Au, Ag, Ni, Se, Ta. Calcosina (Cu2S) Calcopirita (CuFeS2) Cuprita (Cu2O) Covellina (CuS) Tenerita (CuO) Procesos de Extracción Hidrometalúrgico Procesos de Extracción Pirometalúrgico

12. Proceso Pirometalúrgico 1) Roca dinamitada (1-6%Cu) 2) Transporte 3) Trituración 4) Molienda 5) Concentración (flotación) 35%Cu 6) Filtrado 7) Secado en horno en medio oxidante a 600ºC (se limina el 50% del S) http://mineria-chilena.blogspot.com/ Concentrado de Cu Gases de escape: Óxidos de S (Posteriormente H2SO4)

13. Proceso Pirometalúrgico Concentrado de Sulfuros de Cu y Fe + Metales de Interés Escoria + SO2 (sulfuros) Horno de Reverbero u Horno Eléctrico Escoria + 2% Cu (Óxidos Fe, Si, Ca, Mg) Mata (40%Cu + MI) Convertidores Lingotes de Cu Blister (98%Cu + MI) Horno de Afino (Afino Térmico) Escoria Tough Pitch Copper (99.5%Cu + MI) Cu TP Afino Electrolítico Fango + MI Metales de Interés Cobre electrolítico (99.9%Cu) Horno de Inducción Escoria Electrolitic Tough Pitch Copper (Cu ETP) Barras Lingotes

14. Proceso Hidrometalúrgico 1. Molienda – Trituración: • El mineral debe ser reducido a un tamaño de 1cm de diam para la lixiviación. • El material triturado se transporta canchas de apilamiento, para su posterior tratamiento de Lixiviación. • Riego por goteo o aspersión de una solución de ácido sulfúrico o soluciones de amonio. Esta solución se infiltra en la pila hasta su base. La solución disuelve el cobre contenido en los minerales oxidados, formando una solución de sulfato de cobre. • Luego de 14 a 60 días, se obtiene una solución enriquecida en cobre, pero con muchas impurezas. • Objetivo: Obtener una solución purificada sólo con cobre. En esta etapa se transfiere selectivamente los iones de cobre desde la solución lixiviada hacia la solución electrolítica, mediante una solución orgánica (mezcla de solvente parafínico y un reactivo extractante). 2. Apilamiento: 3. Lixiviación: 4. Extracción por solvente (SX) 5. Electrodeposición (EW)

15. 1 Proceso Hidrometalúrgico 3 5 http://www.haldeman.cl/minerahmc/index.php/es/proceso-productivo 2 4

18. Clasificación del cobre y de las aleaciones de cobre • Cobre no Aleado • Latones (Cu-Zn) • Alpacas (Cu-Zn-Ni) • Latones especiales (Cu-Zn + Sn / Al / Fe / Mn / Ni / Si / Pb) • Bronces (Cu-Sn) • Cuproníqueles (Cu-Ni) • Cuproaluminios • Cuproplomos • Cuproberilios • Cuprosilicios • Cupromanganesos • Cuproantimonios

19. Cobre no Aleado Uso Ingenieril Uso Eléctrico

20. Cobre no Aleado Cobres de uso eléctrico (elevada conductividad): •  Cobre puros: TP, ETPHC, OFHC, DLP, DHP •  Cobres débilmente aleados. Poseen pequeñas cantidades de algunos aleantes con la finalidad de endurecer (End x ss, End x def, End x pp) y aumentar la T de recristalización. Los aleantes elegidos no deben disminuir demasiado la conductividad. • ● Cu-Ag (<1%): 100 IACS. T<200ºC. End por ss. • ● Cu-Cd (<1%): 90-97 IACS. T<200ºC. End por ss. • ● Cu-Zr (<0.2%): 93 IACS. T<400ºC. End x def + End x pp + End x env. • ● Cu-Cr (<1%): 80-85 IACS. T<350ºC. End x pp • ● Cu de maquinabilidad mejorada (Te, Pb, S): 95-98 IACS. End por ss. •  Conductividad Térmica •  Resistencia a la Corrosión •  Soldabilidad (Brazing y Soldering) •  Ductilidad •  Tenacidad •  Antimicrobiano •  Maleabilidad •  Rango de Colores y acabados superficiales •  Reciclabilidad Cobres de uso ingenieril (no eléctrico): Arquitectura y cañerías: http://www.copperinfo.co.uk/alloys/copper/homepage.shtml

21. Cobres de uso eléctrico (elevada conductividad) Cobres Desoxidados

22. Cobre OFHC Cobre OFHC. 50X. Ataque con H2O2/NH4OH. Estructura: Trabajado en frío + recocido + trabajado en frío nuevamente. Esto se deduce de la curvatura en las líneas de las maclas de recocido.

23. Cobre TP Estructura de colada. Cobre TP. 200X. Se observan dendritas de Cu primario y eutéctico Cu/Cu2O.

24. OFC. Trabajado en frío y recocido 30” a 850 °C.Granos equiaxiales recristalizados con maclas de recocido. O < 0.09%. Dendritas primarias de Cu (zonas claras) + eutéctico. Sin ataque. 100× O < 0.024%. Dendritas primarias de Cu (zonas claras) + eutéctico. Sin ataque. 100×

25. Cobre afinado (99.85%Cu) con diferentes estados de acritud. 200X. a b c Recocido d e f

26. LATONES (aleaciones Cu-Zn) Latones α + β Latones α Trab. Mec en Caliente Bonificables En gral 37.5% < Zn < 40% Trab. Mec en Caliente Trab. Mec. en Frío (acritud) En gral Zn<36%

27. Latones α, cúbica de caras centrada cub de cuerpo centrado (desordenado) ordenado

28. Latones Ejemplos de latones comerciales forjados y usos Los latones con más de 50%Zn son frágiles (aprece el microconstituyente γ), por lo que no se lo emplean en la industria.

29. BCC des α, FCC BCC ord Latones Mayor RESISTENCIA Mayor %Zn Mayor DUREZA Menor DUCTILIDAD • Latones α (<36%Zn) Puede ser trabajado en caliente (730 – 900ºC) y en frío. En estado recocido es extremadamente dúctil y maleable. • Latones α + β (37.5% < Zn < 40%) • Mayor resistencia y dureza por el mayor contenido de Zn (endurecimiento por SS y por borde de grano). • Menor ductilidad por la presencia de la fase β. • Los latones α+β son difíciles de tabajar en frío. En los latones especiales se agregan elementos de aleación (pequeñas cantidades de Sn, Al, Fe, Mn, Ni, Si y/o Pb) para incrementar la resistencia mecánica  efecto sinérgico.

30. Latón α (Cu-30%Zn) (Latón de Cartuchería) Estructura de colada. 50X. Se observan sólo 3 granos y una triple frontera. La diferencia en los contrastes de cada grano se debe a la diferencia en reflectividad según la orientación de las dendritas. Prácticamente, cada grano consiste en una única dendrita con múltiples ramificaciones. También se observa microsegrecación de los espacios interdendríticos.

31. Latón α • 500X. De la figura se deduce la siguiente historia termomecánica: • Colado. • Trabajado en frío. • Recocido. Porque se observan maclas de recocido. Siempre que se observan maclas de recocido en un metal cúbico de caras centrado, podemos deducir que hubo trabajado en frío seguido de un TT de recocido. • Trabajado en frío (leve). Por la curvatura en las líneas de macla de recocido.

32. Latón α + β (Cu-40%Zn) (Metal Muntz) 200X.Enfriamiento en aire desde 825ºC (región monofásica β). Se observa la fase αWidmanstaetten. La fase α precipita dentro de los granos β y en los bordes de grano. Habría menor cantidad de fase α (o nada) en caso de haber templado desde 825ºC. Al contrario, en caso de un enfriamiento lento (en el horno) se obtendría mayor cantidad de fase α y formando precipitados redondeados, es decir una microestructura de equilibrio.

33. Latón α + β (Cu-40%Zn) (Metal Muntz) 500X. Templado desde 825ºC.

34. BRONCES (aleaciones Cu-Sn) Bronces de estructura compleja Bronces α Trab. Mec en Caliente Bonificables Aleaciones coladas Trab. Mec en Caliente Trab. Mec. en Frío (acritud) Aleaciones forjadas

35. Bronces Diagrama que se presenta en la práctica de aleaciones Cu-Sn moldeadas. Diagrama que se presenta en la práctica de aleaciones Cu-Sn luego de un recocido. Diagrama de equilibrio

36. Bronces Los bronces (aleaciones Cu-Sn) frecuentemente tienen otros elementos de aleación: P (bronces fosforosos), Zn (bronces rojos), Ni, Pb. Se obtienen generalmente por fusión directa de ambos metales. Se dividen en dos grupos: 1) Aleaciones forjadas. Estructura α. 2) Aleaciones moldeadas. Estructura α y compleja. Los bronces de más de 32% de Sn son muy frágiles y no tienen uso masivo en la industria, aunque puede encontrarse bronces de hasta 40%Sn de usos decorativos.

37. Bronces Microestructuras • Primer caso: • Sn<8%, Moldeado: Estructura α Blanda, dúctil y maleable. • Sn>8%, Moldeado: Estructura α + eutectoide (α + δ)  Duro y frágil. Este eutectoide aumenta en pocentaje a medida que es mayor el %Zn. • Segundo caso: • 8%<Sn<15.8%, Moldeado: Estructura α + eutectoide (α + δ)  Duro y frágil • 8%<Sn<15.8%, Con TT adecuado: Estructura α Blanda, dúctil y maleable. Mediante un tratamiento termomecánico adecuado (trabajado mecánico + recristalización), puede obtenerse un bronce de estructura α con hasta 15.8%Sn. Conservando una microestrucura blanda, dúctil y maleable, lo cual facilita las técnicas de conformado. Esta es la base por la cual los bronces forjados tienen Sn<15.8%. El diagrama de fases de no equilibro se genera porque estas aleaciones tienen un campo entre solidus y liquidus muy amplio, produciéndose importante segregación en fase α a medida que solidifica. De esta forma, el líquido remanente va modificando su composición química, generando el diagrama de no equilibrio.

38. Bronces Propiedades mecánicas Los bronces α en estado laminado y recocido tienen propiedades mecánicas que dependerán del contenido de Sn. A mayor Sn, mayor dureza y resistencia mecánica. La mejora en la resistencia mecánica alcanza el máximo con 15%Sn. De esta forma, los bronces de hasta15,8%Sn, pueden conducirse a un estadoqueles permita conformarse en chapas, bandas, alambresy redondos medianteun trabajo mecánicoen frío. Estos bronces así homogeneizados poseenunabuena resistencia a la corrosión, y por ellose emplean en los casos donde serequiere elasticidadjunto con buena resistencia al ataque químico (por ej, elementos de bombasy válvulas). BRONCES DE ESTRUCTURA COMPLEJA. El temple y revenido de bronces con más de 15,8% Sn, tienen un incremento de dureza, pero las aleaciones se hacen tan frágiles que pueden presentar microgrietas luego del tratamiento. Por ello, estos bronces se emplean en estado de moldeo, y en las aplicaciones industriales no suelen sobrepasar 20% Sn. Son de estructura compleja, y los constituyentes ricos en Sn son duros y frágiles, mientras que la matriz, solución sólida α rica en Cu, es blanda. Esta combinación hace que estos bronces sean especialmente adecuados para empleo en cojinetes (así como bronces con Sn>8% moldeados y sin tratamiento de homogeneización); y además debido a su excelente resistencia mecánica, en combinación con su resistencia a la corrosión, hace que su empleo se extienda también a numerosos productos, tales como cuerpos de válvulas y uniones de tuberías, empleados en sistemas de vapor y en la industria química.

39. Bronce (Cu-10%Sn). Estructura de colada. 50X: Se observa la estructura dendrítica 200X y 500X: Se distingue la fase δ y se observa segregación de la fase α (dendritas). En las 3 micrografías, las zonas oscuras pueden ser cavidades de rechupe o partículas de plomo. 50X. α α α δ δ 500X. 200X.

40. Bronce α 50X. Se observa fase α sin deformación en frío, dado que las maclas son de recocido (y no de deformación), por tener las líneas de macla rectas y paralelas.

41. Bronce α 500X 200X Se observa fase α con deformación en frío. Se observan maclas de deformación y maclas de recocido. El trabajado en frío fue realizado posterior al tratamiento térmico de recocido Esto se deduce por la curvatura en las líneas de macla. Las maclas de recocido ponen en evidencia deformación en frío antes del TT, debido a que en las aleaciones de Cu, las estructuras de colada no tienen maclas. Sin embargo, las maclas de recocido también están deformadas, por lo que hubo un segundo trabajado en frío posterior al tratamiento térmico.

42. Bronce de estructura compleja Cu – 22%Sn. 150X. Se observa una estructura de temple, constituida por islas de α y β acicular (Espejo de Java).

43. CUPRONIQUELES (aleaciones Cu-Ni) Fase α

44. Cuproníqueles Cu y el Ni dan lugar a series continuas de soluciones sólidasα, ya que, además de ser elementos adyacentes en la tabla periódica, son electroquímicamente similares, tienen átomos de tamaño próximamente iguales en estado sólido y ambos son de estructura cúbica de caras centradas. Se obtiene como resultado una solución sólida sustitucional. Todas las composiciones son maleables tanto en caliente como en frío, obteniéndose aleaciones industriales en todo el campo de composiciones. Cu: Ra = 0.128nm EN:1.9 +1/+2 Ni: Ra = 0.125nm EN: 1.8 +2 La adición de Ni al Cu aumenta su dureza, resistencia a la tracción, resistencia a la corrosión y disminuye el alargamiento.

45. Aleación C72500 (Cu, 10% Ni, 2% Sn) Unidad de escala: 25Micrones

46. CUPROALUMINIOS (aleaciones Cu-Al) Cuproaluminiosde estructura compleja Cuproaluminios α Trab. Mec. en Caliente Bonificables Aleaciones coladas En gral 9% < Al <12% Trab. Mec. en Caliente Trab. Mec. en Frío (acritud) Aleaciones forjadas En gral Al<8%

47. Cuproaluminios Los cuproaluminios (mal llamados bronces al aluminio) tienen de 4 a 11% Al, con o sin elementos de aleación (Fe, Ni, Mn). Las aleaciones con más de 12% Al son muy frágiles, con casi ninguna aplicación industrial (excepto aleaciones Al-Cu). • α: ss, cúbica de caras centrada • β: Cu3Al, cúbica de cuerpo centrado. • χ: Cu9Al4, cúbica compleja. • γ1: Cu9Al4, • γ2: Cu9Al4, • Qué se destaca del diagrama de fases: • Elevado punto de fusión de las aleaciones Cu-Al. • Estrecho intervalo de solidificación (segregación). • Variación de los límites de solubilidad α y α + β al disminuir la temperatura. • Transformación eutectoide β α + γ2 a 565ºC • Cada uno de estos factores influyen de una etapa a otra en el proceso de fabricación.

48. Cuproaluminios Micoestructuralmente se pueden dividir en 2 grupos: Cuproaluminios α:con <8%Al tienen una estructura α, que es plástica y dúctil. Al igual que los latones α y bronces α, admiten trabajado mecánico en frío (por ej laminado y estirado en frío) previo tratamiento térmico de homogenización. Cuproaluminios de estructura compleja: con 9-11%Al dan lugar a la precipitación de γ2, que es duro y frágil. Estas aleaciones pueden ser trabajadas mecánicamente en caliente y son en general empleadas en componentes colados. Generalmente tienen Fe, Ni y Mn. Generalmente se añade Fe (del orden del 2%), Ni y en menor medida Mn. Estos elementos entran en solución sólida e influyen en el refinamiento de grano, tanto en productos forjados como colados. Los cuproaluminios son aleaciones resistentes a la oxidación, por formar una película de óxido de aluminio en la superficie, protegiéndolo de la oxidación tanto en estado sólido como en el líquido.

49. Ejemplo: Aleación Cu-11.8%Al (composición eutectoide): • Enfriamiento isotérmico entre 565-420ºC o enfriamiento contínuo <1ºC/min: Se produce la transformación eutectoide en un agregado perlítico α + γ2. • Enfriamiento rápido. Reacción de ordenamiento @500ºC β (des)  β1 (ord). No puede evitarse ni aun con un enfriamiento rápido. A menores temperaturas ocurre una transformación martensítica. Según la composición química, se pueden dar dos tipos de transformaciones martensíticas: γ’ (para Al>13%) y β’ (para Al<13%). En resumen, si el enfriamiento es lento: Β(des) β1(ord)  α + γ2 Transformación Eutectoide @500ºC Si el enfriamiento es rápido: Al>13%: β1 γ’ Transformaciones Martensíticas Β(des) β1(ord) @500ºC Al<13%: β1 β’ β1 yγ’ son estructuras hexagonales compactas. Difieren en el aspecto radiográfico y en el aspecto micrográfico.

50. Estructura de Enfriamiento Lento Cu – 10.5%Al. 2 horas @ 860ºC + enfriamiento al horno 100X 5000X Eutectoide α+γ2 (microscopio electrónico) Se observa una fase α (zonas claras) y eutectoide (α+γ2). Cu – 9.5%Al – 2.5%Fe