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Alpaca

Serie N - Aleaciones cobre - níquel - zinc

Contornos de gafas hechos de Alpaca

Introducción a las aleaciones cobre - níquel - zinc

Las aleaciones de Cobre, Níquel y Zinc se conocen debido a sus tonalidades plateadas como “plata alemana” o “alpaca” (Neusilber en alemán) entre otros nombres. Las aleaciones con aplicaciones técnicas tienen entre un 45 hasta el 62% en peso de cobre y entre un 7 y un 26% de níquel. A las aleaciones mecanizables se les añade, como con el latón , hasta un 2,5% en peso de plomo como aliviador de tensiones. Para aliviar la fragilidad a recocido es habitual añadir pequeñas cantidades de manganeso. El resto de la aleación es zinc.

Por el níquel no solo cambia el color (a un 12% en peso de níquel el material tiene una tonalidad puramente blanca), sino también hay una relativamente buena resistencia a corrosión y comparado con el latón mejores valores de resistencia. Además se da una resistencia eléctrica más elevada y por lo tanto una conductividad térmica menor.

Diagrama de fases

En la mayoría de las aleaciones cobre – níquel – zinc utilizadas, las proporciones de níquel y zinc se ven totalmente disueltas, de manera que solamente aparecen cristales fase α. Solamente los materiales con un contenido superior en zinc son, como en el latón, heterogéneos, por la aparición de cristales fase β. En la imagen inferior izquierda se describe en un diagrama de estado para el sistema ternario Cu – Ni – Zn los límites de existencia para la fase α, la fase binaria α+β y la fase β. Las líneas rojas cuentan para la temperatura ambiente, las azules para 850ºC. Para contenidos en zinc muy elevados se añade progresivamente una estructura cúbica, centrada en el cuerpo, la fase cristalina γ. La frontera entre la zona de existencia de los cristales fase puros β y la fase binaria β+γ se encuentra, a temperatura ambiente, descrito en la imagen inferior izquierda. A los 850ºC esta frontera se ha desplazado a contenidos superiores al 60% en peso en zinc.

La frontera entre la fase (α+β) y la β se desplaza solamente en el contenido en Níquel por debajo del 20% en peso, de forma análoga al sistema binario Cu-Zn con temperaturas ascendentes a proporciones crecientes de cobre . Por encima del 20% en peso de níquel la frontera no depende de la temperatura. En contraste, el alcance de la fase α se ensancha a proporciones de níquel superiores con temperatura creciente. Mientras la solubilidad de la fase α para el zinc se eleva por encima de 460ºC para sistemas binarios Cu–Zn, aumenta también en sistemas ternarios Cu – Ni – Zn por ejemplo con un contenido en níquel del 18% en peso hasta una temperatura de 800ºC. La dependencia de la temperatura de las fronteras de la fase α según la proporción de níquel en la aleación se explica en la imagen inferior derecha.

Esquina correspondiente al cobre en el diagrama de estado para una aleación ternaria Cu-Ni-Zn (de Schramm, 1935)
Vista grande Esquina correspondiente al cobre en el diagrama de estado para una aleación ternaria Cu-Ni-Zn (de Schramm, 1935)
Esquina correspondiente al cobre en el diagrama de estado para una aleación ternaria Cu-Ni-Zn (de Schramm, 1935)
Vista grande Límites de fase entre las fases α y (α+ β) en el sistema Cu-Ni-Zn (de Schramm,1935)

Las microestructuras de las fases de alpaca α y (α+ β) corresponden en estructura a las descritas en las imágenes en la serie M/Z de sus homólogas en el caso del latón.

En el caso de la alpaca, se percibe un efecto aún más agudizado que en otras aleaciones de cobre. Este efecto se describe como de configuración ordenada. Éste se da cuando se produce el recocido, en un determinado rango de temperaturas, a materiales que han sufrido fuertes deformaciones en frío, en las que hay pequeñas zonas donde los átomos de los tres elementos de aleación cobre, níquel y zinc ocupan determinadas posiciones en la red cristalina para formar una estructura determinada. Entre otras causas, estas zonas son las que producen el endurecimiento por envejecimiento.

Aplicaciones

Aleaciones cobre - níquel - zinc
Vista grande Aleaciones cobre - níquel - zinc

La tabla nos da un resumen de las aleaciones cobre – níquel – zinc (Alpaca) en el catálogo de Wieland.

N12 / N22 – Estos materiales sin plomo (su estructura consiste de cristales fase α) se deforman muy bien a temperatura ambiente. Los campos mayoritarios de aplicación son artículos embutidos, por ejemplo instrumentos musicales, debido al elevado endurecimiento al deformar las piezas, éstas ganan mucha estabilidad. Dado a que el material no necesita de una capa de níquel base para un revestimiento plateado, se usa mucho en vajilla y cubiertos. Aun cuando la capa de plata se haya desgastado, el aspecto plateado del metal base no desentona significativamente con la tonalidad externa.

N17 / N18 / N29 - Las aleaciones de alta calidad cobre – níquel – zinc N12, N17 y N18 con buenas propiedades elásticas, buena resistencia a corrosión y soldabilidad se usan para muelles de relé y bobinas telefónicas. En la industria de la automoción se emplean estos materiales en el acabado de los huecos para las luces de carretera y los conectores. También se producen componentes por embutición con N18. Los usuarios de alambre y perfiles de N29 son entre otros, la industria de las gafas, que produce bisagras, varillas y monturas a partir de estos productos semiacabados, o en la fabricación de cremalleras. La estructura de estos materiales corresponde a cristales fase α puros.

N31 – Esta aleación se sirve en barras, aunque ocasionalmente también en forma de perfiles. Debido a la proporción de cristales de fase β y el contenido en manganeso, el N31 tiene buena deformabilidad en caliente, mientras la deformación en frío está limitada. La adición de plomo de un 3% en peso combinado con la fracción β en la estructura da como resultado un muy buen mecanizado. Con este material se fabrican artículos en torno como tornillos o componentes mecanizados de precisión como conectores para fibra óptica.

N32 – La estructura está compuesta de cristales fase α y partículas de plomo. La adición de estas lo hace muy mecanizable. Las barras sirven como productos semiacabados para ser después trabajados en torno, para la fabricación de tornillos en ingeniería de precisión u óptica, así como componentes para compases, relojes y aparatos varios.

N35 / N37 – La estructura de ambos materiales consiste a partes iguales de cristales fase α y partículas de plomo. Al N35, para aumentar su facilidad de mecanizado se le ha incrementado el contenido en plomo en un 2%. Ambos materiales tienen un color claro plateado y tienen buena resistencia a la formación de "pátina". Tanto barras como perfiles se emplean para los mismos propósitos, descritos en el N32. Además se fabrican bisagras para gafas de alta calidad a partir de N37. N35 se usa sobretodo para la fabricación de puntas de estilográficas y bolígrafos de alta calidad, en algunos casos mediante corte en seco.

Propiedades mecánicas

Los valores de resistencia para las aleaciones cobre – níquel – zinc sin duda están por encima de las aleaciones binarias cobre – zinc. Esto se puede ver por ejemplo en las curvas de endurecimiento para el N12 en la imagen inferior izquierda con las correspondientes al latón . El endurecimiento del N18 transcurre prácticamente como las curvas válidas para N12. Los valores de referencia para la depresión de Erichsen están establecidos, por ejemplo, para el N12, en la imagen inferior derecha.

Endurecimiento del N12 mediante deformación en frío.
Vista grande Endurecimiento del N12 mediante deformación en frío.
Endurecimiento del N12 mediante deformación en frío.
Depresión de Erichsen en chapa blanda de N12 (valor de referencia)
Vista grande Depresión de Erichsen en chapa blanda de N12 (valor de referencia)
Depresión de Erichsen en chapa blanda de N12 (valor de referencia)

En las dos imágenes inferiores se observa el comportamiento de reblandecimiento para las alpacas. Se puede ver, que tras previa deformación en frío, convenientemente se hace un recocido blando entre 500 y 650ºC. La relajación se produce los 300ºC aproximadamente. Aquí se debe contar con el endurecimiento por envejecimiento, cuando el material ha sufrido una gran deformación en frío.

Vista grande Reblandecimiento del N12 tras 4 h de recocido, deformación del 25%
Vista grande Reblandecimiento del N12 tras 4 h de recocido, deformación del 50%

Propiedades físicas

Los valores de conductividad térmica y eléctrica son extraordinariamente bajos en comparación con otras aleaciones de cobre. El color de la aleación depende sobretodo del contenido en níquel. Al llegar al 12% o más en peso de níquel la aleación se vuelve de una tonalidad blanca. Con una proporción de níquel constante, y un incremento en el contenido de cobre, la tonalidad plateada adquiere un color amarillento.

Propiedades químicas

Con un contenido creciente en níquel las aleaciones cobre – níquel – zinc mejoran su resistencia a la corrosión y su resistencia a la formación de pátina . Son particularmente resistentes a las influencias atmosféricas, soluciones salinas neutrales o alcalinas así como a los compuestos orgánicos. Solamente los ácidos oxidantes pueden atacar la superficie. El amoníaco causa, en combinación con agua, corrosión superficial y fisuración por corrosión bajo tensiones , aunque la susceptibilidad a estos ataques es menor que las aleaciones de cobre – zinc estándar.

Precios actuales de metal

Responsables 18.01.2019
Cu (Settlement) 6.022,00 in USD / t
Zn (Settlement) 2.577,00 in USD / t
EUR (Bid) 1,13735 USD
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