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Latones especiales

Serie S - Aleaciones cobre - zinc con otros elementos

Circuiteria impresa

Introducción a las aleaciones cobre-zinc con otros elementos de aleación

Si a las aleaciones cobre – zinc se les añaden otros elementos como por ejemplo, manganeso, hierro, estaño, aluminio, silicio, cobalto o níquel hasta un % en peso determinado, ya sea por separado o una combinación de ellos, se ven cambiadas a nivel fundamental las propiedades del sistema básico dependiendo de los componentes de aleación añadidos. Los materiales obtenidos se denominan de forma general como “latones especiales”. Las aleaciones contempladas bajo norma pertenecientes a este grupo se encuentran recogidas en la norma DIN 17660.

Cabe destacar dos grupos de latones especiales que tienen aplicaciones tecnológicas importantes. El primer grupo de éstas son las aleaciones monofásicas que contienen un 70% en peso de cobre aproximadamente, basadas en la fase α del sistema. El otro grupo serían las aleaciones multifásicas con un contenido del 58% en peso de cobre. Estas últimas presentan una microestructura donde cerca de los cristales fase α, aparece una fase β. En ambos grupos pueden formarse fases intermetálicas dependiendo de los elementos añadidos como elementos integrados en la microestructura.

La producción de latones especiales a partir de materiales fase (α+β) se debe al trabajo de Alexander Dick, inventor de la prensa de extrusión hidráulica. El latón especial denominado por él como Metal Delta fue producido con esta denominación en su fábrica Metal Delta. El negocio pasó a las manos de Wieland a partir del 1901. Inicialmente estas aleaciones contenían un 3% en manganeso, además de un contenido del 1% en hierro y un contenido en aluminio entre 1 y 2%. Con el paso de los años aún se encuentran mayormente el manganeso, silicio, así como el hierro, níquel o cobalto como elementos de aleación.

Los latones especiales bifásicos (α+β) se ven favorecidos como elementos de construcción con resistencia media o alta en la construcción o ensamblaje de aparatos o maquinaria. Donde dependiendo de las adiciones se distinguen por sus excelentes propiedades, tales como una resistencia a corrosión , una conductividad térmica mejorada y un muy buen comportamiento a deslizamiento. Los latones especiales α con contenido en aluminio o estaño y a la vez algo de arsénico tienen resistencias superiores a la corrosión y erosión a medios acuosos agresivos. La aportación de proporciones superiores en aluminio con adiciones de cobalto llevó al descubrimiento, al final de los años 60, de un material naturalmente duro apropiado para la fabricación de muelles y resortes, que encuentra aplicaciones en la industria electrotécnica.

La adición de plomo, que debido a su baja solubilidad aparece como otra fase cristalina en la estructura tanto en la fase α como en la fase β, mejora la mecanización. Con una aplicación más estricta de la clasificación deberían incluirse todas las aleaciones cobre – zinc con plomo en la denominación de latones especiales. De todas formas de tratan habitualmente como una clase suplementaria de las aleaciones binarias cobre – zinc.

Elementos aleados y constitución de la aleación

La adición de otros elementos en el sistema Cu – Zn desplazan los límites de fase, un hecho observado por Guillet y más tarde por Bauer y Hansen. También se pueden dar interacciones de tipo intermetálico. En las cuatro imágenes inferiores se puede observar por ejemplo una parte perteneciente al sistema límite Cu – Zn con un contenido en cobre entre 40 y el 70% y proporciones adicionales del 2% en níquel, manganeso, estaño y aluminio. También se ve dibujado el desplazamiento de los límites de fase en las zonas de fase α así como para la fase β dependiendo de la temperatura. Mientras el níquel expande los límites de fase a bajas concentraciones de cobre y hace la misma función que la de un material de cobre con una proporción de cobre incrementada, el manganeso casi no afecta los límites de fase. El estaño y aluminio muestran una fuerte reducción del alcance de la fase α y obtienen el mismo rendimiento que una proporción elevada en zinc.

Desplazamiento de los límites de fase en el sistema cobre-zinc a través de elementos terciarios (Bauer y Hansen, 1929-1933), 2,63% Níquel en peso
Vista grande Desplazamiento de los límites de fase en el sistema cobre-zinc a través de elementos terciarios (Bauer y Hansen, 1929-1933), 2,63% Níquel en peso
Desplazamiento de los límites de fase en el sistema cobre-zinc a través de elementos terciarios (Bauer y Hansen, 1929-1933), 2,63% Níquel en peso
2,24% Manganeso en peso
Vista grande 2,24% Manganeso en peso
2,24% Manganeso en peso
2,01% Estaño en peso
Vista grande 2,01% Estaño en peso
2,01% Estaño en peso
2,0% Aluminio en peso
Vista grande 2,0% Aluminio en peso
2,0% Aluminio en peso

Cabe destacar también el gran desplazamiento en los límites de las fases α-/(α+β) provocado por el aluminio. Éste fenómeno se esclarece en la siguiente imagen, en la que se ve la línea de solubilidad hasta el 4,5% en peso de aluminio enfrente del contenido en cobre del 70 al 77% en peso.

Límites de solubilidad del sistema cobre-zinc-aluminio (de Bauer y Hansen,1929-1932)
Vista grande Límites de solubilidad del sistema cobre-zinc-aluminio (de Bauer y Hansen, 1929-1932)
Límites de solubilidad del sistema cobre-zinc-aluminio (de Bauer y Hansen,1929-1932)

En la misma tendencia, aunque aun más fuertemente que el aluminio, influye el silicio. Con contenidos más elevados en cobre se puede encontrar hasta un 4% en peso de silicio disuelto en la fase cristalina α.

El hierro solo se encuentra disuelto tanto en fase α como en fase β solo en concentraciones muy bajas y su solubilidad está muy condicionada por la temperatura. El endurecimiento por tratamiento de envejecimiento no se detecta al haber adición de hierro. Si se adiciona del orden de 0,5 % en peso de hierro éste actúa con fuerza como elemento refinador de grano debido a la formación de fases contenedoras de hierro o la precipitación de hierro puro. En consecuencia por la adición de hierro hay una notable mejora de los valores conocidos de las propiedades mecánicas y de las propiedades de deslizamiento. Este grano fino también puede conseguirse adicionando cobalto. Se consiguen aun mejores propiedades a deslizamiento añadiendo manganeso a la aleación, mientras que añadiendo aluminio o silicio se forman interacciones de tipo intermetálico. Las propiedades de corrosión del latón α se pueden mejorar con aluminio, estaño o arsénico. Los latones especiales con arsénico son menos vulnerables a la descincificación .

Aplicaciones

Aleaciones complejas cobre - zinc de Wieland
Vista grande Aleaciones complejas cobre - zinc de Wieland
Aleaciones complejas cobre - zinc de Wieland

La tabla superior nos da un resumen de las aleaciones especiales cobre – zinc ofrecidas por el catálogo de Wieland.

S23 – La composición de esta aleación con aluminio se encuentra cercana a la del límite de fase α/(α+β).A temperaturas elevadas el material tiende a una estructura multifásica tipo (α+β), pero a temperaturas más bajas se consolida la estructura monofásica fase cristalina α. El S23 se usa como material para muelles y resortes de alto rendimiento en aplicaciones electrotécnicas debido a su buena conductividad eléctrica y excelente resistencia mecánica a flexión. El S23 llega a los valores más elevados de resistencia comparado a otros materiales generalmente usados en resortes, y tienen un excelente rendimiento en aplicaciones tales como muelles de contacto en interruptores, conectores y relés, para piezas de sujeción y tapones para fusibles, componentes en la industria de la automoción, por ejemplo terminales de batería, electrónica doméstica, equipos de radio y televisión, electroacústica, muelles para componentes refrigerados, muelles de contacto de lato rendimiento, por ejemplo puntos de conexión para circuitos prensados. Debido a su excelente fuerza elástica es un material perfecto para conexiones libres de soldadura.

El material se deja deformar bien en caliente y en frío y tiene un buen comportamiento a flexión en contraste a otros materiales de una resistencia similar en la DIN 1777 o la EN 1654. La soldadura blanda es muy buena con este material, aunque la dura ya es moderadamente buena. La soldadura de resistencia es buena, aunque la soldadura MIG no es la más óptima.

S28 – Este latón tipo α se produce sobretodo en forma de tubo para conducciones de agua potable o intercambiadores de calor. Es importante para un uso óptimo del material que el contenido de sólidos disueltos en agua no supere el 0,1% y que el valor de pH del agua no pase por debajo de siete. Ante el ataque por corrosión provocado por depósitos los tubos hechos de latón especial S28 han demostrado más resistencia que tubos hechos de aleación binaria cobre – zinc. Este material puede trabajar con corrientes de agua con velocidades de hasta 2 m/s. La soldadura blanda con el S28 resulta muy buena, aunque la soldadura dura es de eficiencia moderada. Es poco adecuada para soldadura MIG. La deformabilidad en caliente y en frío es buena.

S31 / S35 / S37 / S40 – La estructura de este material es por lo general heterogénea. Además de partículas de plomo incrustadas y cristales fase β en cantidades variables también aparecen interacciones de tipo intermetálico que tienen una influencia determinante sobre sus propiedades. Así pues, por ejemplo, influye el S40, que tiene precipitados de siliciuro de manganeso que aumentan la resistencia a desgaste. La estructura heterogénea influye generalmente de forma positiva en la capacidad de mecanizado del material. Todos los materiales de este grupo tienen buena resistencia a corrosión, aunque el S35 también es resistente al agua de mar. Estos materiales se usan, debido a su media a alta resistencia, en la construcción de maquinas y aparatos, sobretodo componentes sometidos a deslizamiento.

S39 – El contenido en manganeso de este latón especial de estructura (α+β) mejora la resistencia a corrosión y es la causa de que al ser extruído éste adquiera un tonalidad uniforme superficial marrón oscuro. Este material está muy valorado en la artesanía de forja para la producción de rejas, portones y cruces. También se usa en recubrimientos de fachadas exteriores. Destaca por una muy buena deformabilidad en caliente y deformabilidad satisfactoria en frío. También se conoce como “bronce arquitectónico”.

S76 – Este latón α es apropiado para la producción de tubos lisos y aletados así como intercambiadores de calor para el ensamblaje de condensadores. Debido a su excelente comportamiento ante la corrosión y erosión resiste aguas con contenidos se hasta un 0,2%, por ejemplo en agua salobre o de mar a velocidades de circulación de 2,5 m/s. Si la capa de óxido protector se viera dañada el material tiene capacidad de autorecuperación. La deformabilidad en caliente o frío va desde buena a satisfactoria, aunque las uniones mediante soldadura blanda o soldadura MIG requieren de una especial atención. Los`productos semiacabados de S76 y productos derivados de éste material se dejan pulir y galvanizar muy bien.

Propiedades mecánicas

Comparativa entre el límite a rotura A11,3% y el límite elástico para el S23, M37 y B16.
Vista grande Comparativa entre el límite a rotura A11,3% y el límite elástico para el S23, M37 y B16.
Comparativa entre el límite a rotura A11,3% y el límite elástico para el S23, M37 y B16.

Las propiedades mecánicas dependen en gran medida, debido a la microestructura heterogénea, de los tratamientos térmicos previos aplicados, que pueden modificar en gran medida la proporción de fase β, aunque también la cantidad y forma de los precipitados. Cabe destacar que la adición de aluminio o cobalto incrementa la dureza del S23 de forma espectacular, reteniendo aun así una buena ductilidad, como puede comprobarse en la imagen izquierda en comparación con el bronce de estaño B16 y el latón M37.

El comportamiento de endurecimiento de un material de latón especial mediante deformación en frío se puede ver en las siguientes imágenes.

Endurecimiento de las aleaciones especiales mediante endurecimiento en frío. S76
Vista grande Endurecimiento de las aleaciones especiales mediante endurecimiento en frío. S76
Endurecimiento de las aleaciones especiales mediante endurecimiento en frío. S76
S23
Vista grande S23
S23
S37
Vista grande S37
S37
S40
Vista grande S40
S40

Un revenido mejora las propiedades elásticas en las cintas de S23. Como se ve en la imagen siguiente, a través de una combinación de deformación en frío y tratamientos de revenido pueden aumentarse de forma considerable la dureza y el límite a flexión para resorte.

Cambio en la dureza y el límite a flexión elástica en cintas de S23 a través d eun tratamiento de envejecimiento entre 200y 250ºC mediante deformación en frío
Vista grande Cambio en la dureza y el límite a flexión elástica en cintas de S23 a través d eun tratamiento de envejecimiento entre 200y 250ºC mediante deformación en frío
Cambio en la dureza y el límite a flexión elástica en cintas de S23 a través d eun tratamiento de envejecimiento entre 200y 250ºC mediante deformación en frío

Las temperaturas habituales de relajación de los latones especiales están entre 200 y 400ºC, aunque el grado y tiempo del tratamiento dependen mucho de la aleación, el grado de deformación y el uso al que se va a destinar ésta. El estado reblandecido con una estructura recristalizada de forma homogénea se alcanzaría entre los 550ºC y los 660ºC.

Propiedades físicas

Las propiedades físicas de los latones especiales no sólo se ven determinadas por el contenido en zinc, sino también por los elementos adicionales en la aleación que influyen en diferente grado. En teoría, los latones especiales son substancias paramagnéticas. Pero en el caso de que el hierro juegue un papel importante a nivel de composición, se modificará el comportamiento magnético general de la substancia de acuerdo con la forma precipitada que predomina en la microestructura.

Propiedades químicas

El comportamiento frente a corrosión es similar a la de las aleaciones binarias cobre – zinc, aunque cambia ligeramente debido a los elementos adicionales presentes en la composición. Así pues, las adiciones de estaño, níquel o aluminio en los materiales para tubería provocan la aparición de una capa de óxido protector contra el ataque corrosivo del agua. Sin embargo estas capas no llegan a proteger frente al fenómeno de la descincificación en ambientes acuosos más agresivos. Para contrarrestar este fenómeno también se añaden arsénico o fósforo como inhibidores, debido a que el antimonio (también un inhibidor) está en desuso en los países anglosajones. La vulnerabilidad a grietas por corrosión bajo tensión se disminuye mediante la adición de silicio. Este efecto es especialmente útil en el caso de la aleación S31. En cualquier caso, se tratan todos los latones especiales con un tratamiento de relajación de tensiones después de la última deformación en frío para evitar la aparición de grietas por corrosión bajo tensión .

Precios actuales de metal

Responsables 18.07.2019
Cu (Settlement) 5.948,00 in USD / t
Zn (Settlement) 2.477,00 in USD / t
EUR (Bid) 1,11895 USD
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