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Cobres de baja aleación

Serie KX - Aleaciones con base de cobre elevada

Circuitos impresos hechos con aleaciones KX

Influencia de los elementos de aleación en el cobre puro

Valores abarcados de resistencia mecánica y conductividad eléctrica para cobres de baja aleación comparados con otras aleaciones estándar de base cobre
Vista grande Valores abarcados de resistencia mecánica y conductividad eléctrica para cobres de baja aleación comparados con otras aleaciones estándar de base cobre
Valores abarcados de resistencia mecánica y conductividad eléctrica para cobres de baja aleación comparados con otras aleaciones estándar de base cobre

Los cobres de baja aleación se dividen en las aleaciones no endurecidas por precipitación y las endurecidas por precipitación. En el primer caso, pequeñas adiciones de, por ejemplo, plata, hierro, estaño o zinc, aumentan la resistencia y de forma más exagerada, la temperatura de reblandecimiento, aumentando a su vez la resistencia al ablandamiento. Incluso una pequeña adición de zinc incrementa de forma notable la resistencia en comparación del cobre puro. Si a la vez se necesita una elevada conductividad eléctrica, la adición de plata resuelve esta cuestión.

El hierro no solo aumenta hasta un 3% en peso la resistencia mecánica, sino también la resistencia a la corrosión por erosión. Las conductividades eléctrica y térmica descienden muy poco en comparación al cobre libre de hierro debido a la limitada solubilidad de éste en el cobre. A través de una combinación de deformación en frío y tratamiento en caliente se consiguen incrementos notables en la resistencia mecánica a la vez que se mantiene de forma relativa una buena conductividad. Un buen ejemplo de estas propiedades se puede encontrar en las aleaciones K65 y K80 .

A través de otros elementos podemos influir las propiedades mecánicas y la conductividad y así alcanzar la estabilidad de temperatura (de reblandecimiento, relajación) necesaria. Ejemplos de esto serian el K62 y el K75 como modificaciones del sistema de precipitación Cu - Cr -Ti.

Las adiciones de níquel y silicio o cromo y circonio que en total sumen hasta un 3% en peso producen aleaciones endurecidas por precipitación, que tras los correspondientes tratamientos térmicos y ciclos de deformación en frío no sólo dan una elevada resistencia mecánica, sino que a la vez dan un a conductividad eléctrica relativamente buena. Tales aleaciones se pueden encontrar mayormente en la electrónica y electrotecnia como material base para muelles en maquinaria como electrodos de soldadura (por ejemplo CuCr1Zr). El sistema de precipitación Cu - Ni - Si es usado por las aleaciones K50 y K55 .

La imagen a la derecha esclarece, que entre propiedades mecánicas y conductividad existe una relación inversa, que con materiales producidos a partir de la metalurgia de fusión, es difícil de cambiar.

Los materiales destinados a la fabricación de circuitos integrados necesitan cumplir requerimientos elevadísimos. El estaño se utiliza frecuentemente, pero también el fósforo, hierro, níquel, zinc y cromo. Otros posibles elementos de aleación, como la plata, magnesio, silicio, titanio o circonio, que actúan como elementos que crean o fomentan los precipitados, son utilizados con mucho menos frecuencia.

Aplicaciones

Cobres de baja aleación de Wieland
Cobres de baja aleación de Wieland

La tabla superior nos permite echar un vistazo a los cobres de baja aleación pertenecientes al catálogo de aleaciones de Wieland.

K42 – El K42 es una clase de cobre aleado con zinc que ve su conductividad ligeramente disminuida en comparación con el cobre puro, pero que, sin embargo, ve especialmente mejorada su resistencia mecánica, deformación en frío y capacidad de mecanizado. El K42 es resistente al efecto fragilizador del hidrógeno y tiene buena soldabilidad.

K50 y K55 – El K50 se caracteriza por una combinación muy efectiva de elevada resistencia mecánica con buen doblado y buena conductividad eléctrica. Estas propiedades sobresalientes se consiguen mediante unos precipitados finos homogéneamente distribuidos de forma localizada de níquel – silicio. Las cintas de K50 se pueden servir recocidas por solución o recocidas por solución y deformadas en frío, así como templadas. Sus propiedades están adaptadas a los requerimientos que se les piden en sus tratamientos posteriores y sus aplicaciones finales. Las cintas de K50 se utilizan en conectores y otros elementos utilizados en la electrónica, preferiblemente en la electrónica del sector de la automoción. La composición se corresponde con la aleación según norma CuNi2Si.

K55 es una modificación de K50, donde sube el contenido de níquel en la composición, y dónde se adiciona magnesio a la aleación. Las cintas de K55 se adecuan, debido a su elevada resistencia y su plegabilidad de carácter prácticamente isotrópico, en particular, la producción de circuitos integrados multipolo. Las cintas tienen una muy buena resistencia a la relajación en un rango de temperaturas hasta 200ºC. Los conectores hechos de esta aleación que deben aguantar con elevadas cargas eléctricas y elevadas temperaturas, tienen una excelente vida útil, que en muchos casos también permite la substitución de los materiales de aleaciones Cu – Be . Incluso tras las 1000 horas de servicio a 200ºC a través de procesos de fluencia sólo se pierde un 20% de la tensión inicial.

Tensión residual para el K55 dependiendo de Tª de trabajo y tiempo de tensión. El tiempo de tensión es de 280 MPa. La duración de la prueba se ha medido hasta las 1000 horas, el resto de puntos se ha extrapolado mediante el método Larson-Miller.
Vista grande Tensión residual para el K55 dependiendo de Tª de trabajo y tiempo de tensión. El tiempo de tensión es de 280 MPa. La duración de la prueba se ha medido hasta las 1000 horas, el resto de puntos se ha extrapolado mediante el método Larson-Miller.
Tensión residual para el K55 dependiendo de Tª de trabajo y tiempo de tensión. El tiempo de tensión es de 280 MPa. La duración de la prueba se ha medido hasta las 1000 horas, el resto de puntos se ha extrapolado mediante el método Larson-Miller.

K60 – El CuCr1Zr es una aleación normalizada endurecida por precipitación. Se sirven en forma de barra, perfiles o tubo, en estado templado y revenido, excelente para varilla de soldadura. Tiene muy buenas propiedades mecánicas y elevada conductividad eléctrica conseguidas gracias a un tratamiento de envejecimiento. La temperatura de recocido por disolución alcanza los 1000ºC y la temperatura de envejecimiento está por los 470ºC. Los productos semiacabados de K60 son distribuidos por la empresa Thyssen – Edelstahl Vertriebs- und Service GmbH, Kornwestheim.

La imagen nos dibuja una curva de endurecimiento típica para el K60. Se puede alcanzar una resistencia todavía mayor tras un proceso de deformación en frío con un revenido posterior.

Influencia de la temperatura de endurecimiento sobre la dureza y la conductividad eléctrica del K60
Vista grande Influencia de la temperatura de endurecimiento sobre la dureza y la conductividad eléctrica del K60
Influencia de la temperatura de endurecimiento sobre la dureza y la conductividad eléctrica del K60

K62 y K75 – Ambas aleaciones son mejoras desarrolladas a partir del sistema de precipitación Cu - Cr -Ti. El K62 es un material libre de hierro con precipitaciones intermetálicas finamente distribuidas. Su elevada conductividad eléctrica y buenas propiedades mecánicas explican la amplia proliferación de esta aleación en la electrotecnia. Aplicaciones típicas serian su uso en circuitos integrados para ensamblaje de semiconductores así como conectores sometidos a elevada tensión y muelles de relé (por ejemplo en la electrónica de la automoción o usos domésticos).

El K75 tiene una microestructura de grano fino con pequeños precipitados intermetálicos distribuidos de forma homogénea, conseguida mediante la adición de silicio a esta aleación de Cu - Cr - Ti. La estructura permanece estable durante periodos prolongados de tratamiento térmico hasta los 350ºC. Las cintas obtenidas presentan buena capacidad de estampación, provocan muy poco desgaste a las herramientas y exhiben buen comportamiento a flexión tanto en paralelo como perpendicular a la dirección de laminado. El K75 se usa de forma preferente en la elaboración de componentes electromecánicos, cuando se precisan requerimientos como una elevada resistencia mecánica y buena conductividad eléctrica.

Mientras la conductividad eléctrica del K62 se encuentra entre 30-35 MS/m para una dureza de HV 220, en el K75 se alcanzan valores por encima de 49 MS/m. Los máximos valores de dureza alcanzados por el K75 se encuentran alrededor de los HV 170.

K65 – Este material contiene aproximadamente un 2,5% en peso de hierro y pequeñas cantidades de zinc y fósforo. Aunque la solubilidad del hierro en cobre aumenta notablemente al descender la temperatura, éste precipita de forma fina y dispersa al aplicarse los tratamientos térmicos apropiados a los productos semiacabados a elevada temperatura. Eso nos lleva a valores de resistencia elevada en comparación con el cobre puro y una conductividad eléctrica relativamente alta de unos 37 MS/m.

Solubilidad del hierro en cobre
Vista grande Solubilidad del hierro en cobre
Solubilidad del hierro en cobre

Las curvas de endurecimiento presentan el comportamiento típico de los cobres puros, un ligero ascenso de resistencia conforme al aumento de la deformación. Los valores de resistencia, pero, son globalmente superiores y los valores de elongación, menores.

Endurecimiento del K65 por deformación en frío
Vista grande Endurecimiento del K65 por deformación en frío
Endurecimiento del K65 por deformación en frío

El ablandamiento se ve fuertemente inhibido por los precipitados de hierro, haciendo que en tratamientos térmicos de tiempo reducido de temperaturas de hasta 450ºC se consiga que la estabilización obtenida por la deformación en frío permanezca mayormente intacta.

Curva de reblandecimiento para el K65 para tratamiento térmico de corta duración (3 h recocido)
Vista grande Curva de reblandecimiento para el K65 para tratamiento térmico de corta duración (3 h recocido)
Curva de reblandecimiento para el K65 para tratamiento térmico de corta duración (3 h recocido)

Buena capacidad de estampación y buen comportamiento a flexión son características de las cintas fabricadas a partir del K65, que la hacen ideal para estampaciones de alta precisión, por ejemplo para circuitos integrados y elementos de precisión para conectores. El precio de la cinta, su mecanizado y fácil manipulación del material sobrante, por ejemplo chatarra de corte, permite al fabricante una producción económica. Además de cintas también se puede servir en cable.

K80 – Es un material de cobre de baja aleación cuya formación se basa en los fosfatos de hierro. Se alcanzan conductividades eléctricas de 49 MS/m o más. La resistencia del K80 es relativamente baja, pero la dureza y propiedades mecánicas permanecen prácticamente inalterables en tratamientos térmicos de corto tiempo en rangos de temperaturas de hasta 450ºC. Con temperaturas superiores a 500ºC éstas descienden de forma lenta, dependiendo del tiempo que se aplica la carga y las condiciones de endurecimiento. Debido a estas propiedades, las cintas de K80 fresadas en ángulo son usadas para la fabricación de sistemas de soporte para transistores de potencia y circuitos integrados.

K81 – Esta aleación es un material de estructura solución sólida solidificada por la adición estaño, con alta conductividad eléctrica (unos 49 MS/m) y térmica (unos 350 W/(m•K)). La resistencia de estas cintas es buena, por lo que se producen a partir de ella pins conectores, placas base para transistores y circuitos integrados para semiconductores.

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